Cabang fisika yang mempelajari struktur internal atom. Atom, awalnya dianggap tidak dapat dibagi, adalah sistem yang kompleks. Mereka memiliki inti besar proton dan neutron, di mana elektron bergerak di ruang kosong. Atom sangat kecil - ukurannya sekitar 10 –10 –10 –9 m, dan ukuran inti masih sekitar 100.000 kali lebih kecil (10 –15 –10 –14 m). Oleh karena itu, atom hanya dapat "dilihat" secara tidak langsung, dalam gambar dengan perbesaran yang sangat tinggi (misalnya, dengan bantuan proyektor elektronik otomatis). Tetapi bahkan dalam kasus ini, atom tidak dapat diperiksa secara rinci. Pengetahuan kami tentang struktur internal mereka didasarkan pada sejumlah besar data eksperimental, yang secara tidak langsung, tetapi meyakinkan, mendukung hal di atas.
Konsep struktur atom berubah secara radikal pada abad ke-20. di bawah pengaruh ide-ide teoretis baru dan data eksperimen. Dalam deskripsi struktur internal inti atom, masih ada masalah yang belum terselesaikan yang menjadi bahan penelitian intensif. Bagian berikut menguraikan sejarah perkembangan gagasan tentang struktur atom secara keseluruhan; artikel terpisah dikhususkan untuk struktur kernel ( STRUKTUR INTI ATOM), karena konsep-konsep ini berkembang secara mandiri. Energi yang dibutuhkan untuk menyelidiki kulit terluar suatu atom relatif kecil, dalam orde energi termal atau kimia. Untuk alasan ini, elektron ditemukan secara eksperimental jauh sebelum penemuan inti.
Inti atom, dengan ukurannya yang kecil, terikat sangat kuat, sehingga hanya dapat dihancurkan dan diselidiki dengan bantuan gaya yang jutaan kali lebih kuat daripada gaya yang bekerja antar atom. Kemajuan pesat dalam memahami struktur internal nukleus dimulai hanya dengan munculnya akselerator partikel. Perbedaan besar dalam ukuran dan energi ikat inilah yang memungkinkan kita untuk mempertimbangkan struktur atom secara keseluruhan secara terpisah dari struktur nukleus.
Untuk mendapatkan gambaran tentang ukuran atom dan ruang kosong yang ditempatinya, perhatikan atom-atom penyusun setetes air dengan diameter 1 mm. Jika penurunan ini secara mental diperbesar seukuran Bumi, maka atom hidrogen dan oksigen yang termasuk dalam molekul air akan memiliki diameter 1-2 m. Bagian utama dari massa setiap atom terkonsentrasi di intinya, yang diameternya hanya 0,01 mm...
Sejarah munculnya ide-ide paling umum tentang atom biasanya dimulai dari zaman filsuf Yunani Democritus (c. 460 - c. 370 SM), yang banyak memikirkan partikel terkecil di mana zat apa pun dapat dibagi . Sekelompok filsuf Yunani yang berpandangan bahwa partikel-partikel kecil yang tidak dapat dibagi seperti itu ada disebut atomis. Filsuf Yunani Epicurus (c. 342–270 SM) mengadopsi teori atom, dan pada abad pertama SM. salah satu pengikutnya, penyair dan filsuf Romawi Lucretius Carus, menguraikan doktrin Epicurus dalam puisi "On the Nature of Things", berkat itu doktrin itu dilestarikan untuk generasi mendatang. Aristoteles (384–322 SM), salah satu ilmuwan terbesar zaman kuno, tidak menerima teori atomistik, dan pandangannya tentang filsafat dan sains kemudian berlaku dalam pemikiran abad pertengahan. Teori atomistik tampaknya tidak ada sampai akhir Renaisans, ketika penalaran filosofis yang murni spekulatif digantikan oleh eksperimen.
Selama Renaisans, penelitian sistematis dimulai di bidang yang sekarang disebut kimia dan fisika, dengan membawa wawasan baru tentang sifat "partikel yang tidak dapat dibagi". R. Boyle (1627-1691) dan I. Newton (1643-1727) melanjutkan penalaran mereka dari gagasan keberadaan partikel materi yang tidak dapat dibagi. Namun, baik Boyle maupun Newton tidak memerlukan teori atom terperinci untuk menjelaskan fenomena yang menarik bagi mereka, dan hasil eksperimen mereka tidak mengatakan sesuatu yang baru tentang sifat-sifat "atom".
STRUKTUR ATOM
hukum Dalton. Pembuktian pertama yang benar-benar ilmiah dari teori atomistik, yang secara meyakinkan menunjukkan rasionalitas dan kesederhanaan hipotesis bahwa setiap unsur kimia terdiri dari partikel terkecil, adalah karya guru matematika sekolah Inggris J. Dalton (1766-1844), yang artikelnya pada masalah ini muncul pada tahun 1803 ...
Dalton mempelajari sifat-sifat gas, khususnya rasio volume gas yang masuk ke dalam reaksi pembentukan senyawa kimia, misalnya, ketika air terbentuk dari hidrogen dan oksigen. Dia menemukan bahwa rasio jumlah hidrogen dan oksigen yang bereaksi selalu merupakan rasio bilangan bulat kecil. Jadi, ketika air (H2O) terbentuk, 2,016 g gas hidrogen bereaksi dengan 16 g oksigen, dan ketika hidrogen peroksida (H2O2) terbentuk, 32 g gas oksigen digabungkan dengan 2,016 g dari hidrogen. Massa oksigen yang bereaksi dengan massa hidrogen yang sama dalam pembentukan dua senyawa ini terkait satu sama lain sebagai bilangan kecil:
Berdasarkan hasil ini, Dalton merumuskan "hukum rasio ganda". Menurut hukum ini, jika dua unsur bergabung dalam perbandingan yang berbeda, membentuk senyawa yang berbeda, maka massa salah satu unsur, digabungkan dengan jumlah yang sama dari unsur kedua, dihubungkan sebagai bilangan bulat kecil. Menurut hukum kedua Dalton, "hukum hubungan konstan", dalam senyawa kimia apa pun, rasio massa unsur-unsur yang termasuk di dalamnya selalu sama. Sejumlah besar data eksperimen yang berkaitan tidak hanya untuk gas, tetapi juga untuk cairan dan senyawa padat, dikumpulkan oleh J. Berzelius (1779-1848), yang melakukan pengukuran akurat massa reaksi unsur untuk banyak senyawa. Datanya mengkonfirmasi hukum yang dirumuskan oleh Dalton dan secara meyakinkan menunjukkan bahwa setiap elemen memiliki satuan massa terkecil.
Postulat atom Dalton memiliki keunggulan dibandingkan penalaran abstrak para atomis Yunani kuno bahwa hukumnya memungkinkan untuk menjelaskan dan menghubungkan hasil eksperimen nyata, serta memprediksi hasil eksperimen baru. Dia mendalilkan bahwa 1) semua atom dari unsur yang sama identik dalam segala hal, khususnya, massanya sama; 2) atom dari unsur yang berbeda memiliki sifat yang berbeda, khususnya massanya tidak sama; 3) senyawa, tidak seperti unsur, mencakup sejumlah bilangan bulat atom dari masing-masing unsur penyusunnya; 4) dalam reaksi kimia, redistribusi atom dapat terjadi, tetapi tidak ada satu atom pun yang dihancurkan atau dibuat lagi. (Bahkan, ternyata pada awal abad ke-20, postulat-postulat ini tidak sepenuhnya dipenuhi, karena atom-atom dari unsur yang sama dapat memiliki massa yang berbeda, misalnya, hidrogen memiliki tiga varietas seperti itu, yang disebut isotop; selain itu, atom dapat mengalami transformasi radioaktif dan bahkan benar-benar runtuh, tetapi tidak dalam reaksi kimia yang dipertimbangkan oleh Dalton.) Berdasarkan keempat postulat ini, teori atom Dalton memberikan penjelasan paling sederhana tentang hukum rasio konstan dan rasio ganda.
Meskipun Hukum Dalton adalah dasar dari semua kimia, mereka tidak menentukan ukuran dan massa atom yang sebenarnya. Mereka tidak mengatakan apa-apa tentang jumlah atom yang terkandung dalam massa tertentu dari suatu unsur atau senyawa. Molekul zat sederhana terlalu kecil untuk ditimbang secara terpisah, sehingga metode tidak langsung harus digunakan untuk menentukan massa atom dan molekul.
bilangan Avogadro. Pada tahun 1811, A. Avogadro (1776–1856) mengajukan hipotesis yang sangat menyederhanakan analisis tentang bagaimana senyawa terbentuk dari unsur, dan menetapkan perbedaan antara atom dan molekul. Idenya adalah bahwa gas dengan volume yang sama pada suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah molekul yang sama. Pada prinsipnya, petunjuk ini dapat ditemukan dalam karya sebelumnya oleh J. Gay-Lussac (1778-1850), yang menetapkan bahwa rasio volume unsur-unsur gas yang masuk ke dalam reaksi kimia dinyatakan dalam bilangan bulat, meskipun berbeda dari rasio massa yang diperoleh Dalton. Misalnya, 2 liter gas hidrogen (molekul H2) bergabung dengan 1 liter gas oksigen (molekul O2) membentuk 1 liter uap air (molekul H2O).
Jumlah sebenarnya dari molekul dalam volume tertentu gas sangat besar, dan sampai tahun 1865 tidak dapat ditentukan dengan akurasi yang dapat diterima. Namun, sudah pada zaman Avogadro, perkiraan kasar dibuat berdasarkan teori kinetik gas. Satuan yang sangat nyaman untuk mengukur jumlah suatu zat adalah mol, mis. jumlah zat yang memiliki molekul sebanyak jumlah atom dalam 0,012 kg isotop karbon 12 C yang paling umum. Satu mol gas ideal dalam kondisi normal (n.u.), mis. suhu dan tekanan standar, menempati volume 22,4 liter. Bilangan Avogadro adalah jumlah total molekul dalam satu mol zat atau dalam 22,4 liter gas pada kondisi normal. Metode lain, seperti radiografi, memberikan nomor Avogadro n Nilai 0 lebih akurat daripada yang diperoleh berdasarkan teori kinetik. Nilai yang diterima saat ini adalah 6.0221367X10 23 atom (molekul) dalam satu mol. Akibatnya, 1 liter udara mengandung sekitar 3 × 10 22 molekul oksigen, nitrogen, dan gas lainnya.
Peran penting bilangan Avogadro untuk fisika atom terkait dengan fakta bahwa bilangan itu memungkinkan seseorang untuk menentukan massa dan perkiraan dimensi atom atau molekul. Karena massa 22,4 liter gas H2 adalah 2,016 × 10 –3 kg, massa satu atom hidrogen adalah 1,67 × 10 –27 kg. Jika kita berasumsi bahwa atom dalam padatan terletak berdekatan satu sama lain, maka bilangan Avogadro akan memungkinkan perkiraan perkiraan jari-jari R katakanlah, atom aluminium. Untuk aluminium, 1 mol adalah 0,027 kg, dan massa jenisnya adalah 2,7 × 10 3 kg / m 3. Selain itu, kami memiliki
Di mana R»1,6 × 10 –10 m Jadi, perkiraan pertama bilangan Avogadro memberikan gambaran tentang dimensi atom.
Penemuan elektron. Data eksperimental yang terkait dengan pembentukan senyawa kimia mengkonfirmasi keberadaan partikel "atom" dan memungkinkan untuk menilai ukuran kecil dan massa atom individu. Namun, struktur atom yang sebenarnya, termasuk keberadaan partikel yang lebih kecil lagi yang menyusun atom, tetap tidak jelas sampai ditemukannya elektron oleh JJ Thomson pada tahun 1897. Sampai saat itu, atom dianggap tidak dapat dibagi dan perbedaan sifat kimianya. dari berbagai elemen tidak memiliki penjelasan. Bahkan sebelum penemuan Thomson, sejumlah eksperimen menarik dilakukan di mana peneliti lain mempelajari arus listrik dalam tabung kaca yang diisi dengan gas pada tekanan rendah. Tabung semacam itu, yang disebut tabung Geissler setelah peniup kaca Jerman G. Geissler (1815–1879), yang pertama kali mulai memproduksinya, memancarkan cahaya terang ketika dihubungkan ke belitan tegangan tinggi dari koil induksi. W. Crookes (1832-1919) menjadi tertarik pada pelepasan listrik ini, yang menetapkan bahwa sifat pelepasan dalam tabung berubah tergantung pada tekanan, dan pelepasannya benar-benar hilang pada vakum tinggi. Studi selanjutnya oleh J. Perrin (1870-1942) menunjukkan bahwa "sinar katoda" yang menyebabkan pancaran adalah partikel bermuatan negatif yang bergerak dalam garis lurus, tetapi dapat dibelokkan oleh medan magnet. Namun, muatan dan massa partikel tetap tidak diketahui dan tidak jelas apakah semua partikel negatif adalah sama.
Kelebihan Thomson adalah bukti bahwa semua partikel yang membentuk sinar katoda adalah identik satu sama lain dan merupakan bagian dari zat. Menggunakan jenis tabung pelepasan khusus yang ditunjukkan pada Gambar. 1, Thomson mengukur kecepatan dan rasio muatan terhadap massa partikel sinar katoda, yang kemudian disebut elektron. Elektron lolos dari katoda di bawah aksi pelepasan tegangan tinggi di dalam tabung. Melalui diafragma D dan E hanya mereka yang terbang di sepanjang sumbu tabung yang lewat.
Beras. 1. RASIO BIAYA TERHADAP MASSA. Tabung yang digunakan oleh fisikawan Inggris J. Thomson untuk menentukan rasio muatan terhadap massa untuk sinar katoda. Eksperimen ini mengarah pada penemuan elektron.
Dalam mode normal, elektron ini mengenai pusat layar luminescent. (Tabung Thomson adalah "tabung sinar katoda" pertama dengan layar, cikal bakal tabung gambar televisi.) Tabung itu juga berisi sepasang pelat kapasitor listrik yang, jika diberi energi, dapat membelokkan elektron. Kekuatan listrik F E bertindak atas tuduhan e dari sisi medan listrik E, diberikan oleh ekspresi
F E = eE .
Selain itu, medan magnet dapat dibuat di wilayah tabung yang sama dengan bantuan sepasang kumparan arus, yang mampu membelokkan elektron ke arah yang berlawanan. Memaksa F H bertindak dari medan magnet H, sebanding dengan kekuatan medan, kecepatan partikel v dan biaya nya e :
F H = Hev .
Thomson menyesuaikan medan listrik dan magnet sehingga total defleksi elektron adalah nol, yaitu berkas elektron kembali ke posisi semula. Karena dalam hal ini kedua kekuatan F E dan F H sama, kecepatan elektron diberikan oleh ekspresi
v = E / H .
Thomson menemukan bahwa kecepatan ini tergantung pada tegangan pada tabung. V dan bahwa energi kinetik elektron mv 2/2 berbanding lurus dengan tegangan ini, mis. mv 2 /2 = eV... (Oleh karena itu istilah "elektron-volt" untuk energi yang diperoleh oleh partikel dengan muatan yang sama dengan muatan elektron ketika dipercepat oleh beda potensial 1 V.) Menggabungkan persamaan ini dengan ekspresi untuk kecepatan elektron, ia menemukan rasio muatan terhadap massa:
Eksperimen ini memungkinkan untuk menentukan sikap e /M untuk sebuah elektron dan memberikan perkiraan nilai muatan e... Persis besarnya e diukur oleh R. Milliken, yang dalam eksperimennya mencapai bahwa tetesan minyak yang bermuatan tergantung di udara di antara pelat kapasitor. Saat ini, karakteristik elektron diketahui dengan sangat akurat:
Jadi, massa elektron jauh lebih kecil daripada massa atom hidrogen:
Eksperimen Thomson menunjukkan bahwa elektron dalam pelepasan listrik dapat muncul dari zat apa pun. Karena semua elektron adalah sama, unsur-unsur harus berbeda hanya dalam jumlah elektron. Selain itu, nilai massa elektron yang kecil menunjukkan bahwa massa atom tidak terkonsentrasi di dalamnya.
Spektrograf massa Thomson. Segera dimungkinkan untuk mengamati sisa atom dengan muatan positif menggunakan tabung pelepasan yang sama, meskipun dimodifikasi, yang memungkinkan untuk menemukan elektron. Percobaan pertama dengan tabung pelepasan menunjukkan bahwa jika katoda dengan lubang ditempatkan di tengah tabung, maka partikel bermuatan positif melewati "saluran" di katoda, menyebabkan layar pendaran terletak di ujung tabung yang berlawanan. dari anoda untuk bersinar. "Sinar saluran" positif ini juga dibelokkan oleh medan magnet, tetapi berlawanan arah dengan elektron.
Thomson memutuskan untuk mengukur massa dan muatan sinar baru ini, juga menggunakan medan listrik dan magnet untuk membelokkan partikel. Perangkatnya untuk mempelajari sinar positif, "spektrograf massa", secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 2. Ini berbeda dari perangkat yang ditunjukkan pada gambar. 1, oleh fakta bahwa medan listrik dan magnet membelokkan partikel pada sudut kanan satu sama lain, dan oleh karena itu defleksi "nol" tidak dapat diperoleh. Atom bermuatan positif dalam perjalanan antara anoda dan katoda dapat kehilangan satu atau lebih elektron, dan karena alasan ini mereka dapat berakselerasi ke energi yang berbeda. Atom-atom dari jenis yang sama dengan muatan dan massa yang sama, tetapi dengan hamburan tertentu dari kecepatan akhir, akan menggambar garis lengkung (segmen parabola) pada layar luminescent atau pelat fotografi. Di hadapan atom dengan massa yang berbeda, atom yang lebih berat (dengan muatan yang sama) akan menyimpang dari sumbu pusat lebih lemah daripada yang lebih ringan. dalam gambar. 3 menunjukkan foto parabola yang diperoleh dengan spektrograf massa Thomson. Parabola tersempit sesuai dengan atom terionisasi tunggal terberat (atom merkuri), dari mana satu elektron tersingkir. Dua parabola terluas sesuai dengan hidrogen, satu dengan atom H + dan yang lainnya dengan molekul H 2 +, keduanya terionisasi tunggal. Dalam beberapa kasus, dua, tiga, atau bahkan empat muatan hilang, tetapi atom hidrogen tidak pernah diamati terionisasi lebih dari sekali. Keadaan ini merupakan indikasi pertama bahwa hanya ada satu elektron dalam atom hidrogen, yaitu itu adalah atom yang paling sederhana.
Beras. 2. SPECTROGRAPH MASSA, digunakan oleh Thomson untuk menentukan nilai relatif massa berbagai atom dari pembelokan sinar positif dalam medan magnet dan listrik.
Beras. 3. SPECTRA MASSA, foto dengan distribusi atom terionisasi dari lima zat, diperoleh dalam spektrograf massa. Semakin besar massa atom, semakin kecil defleksi.
Bukti lain dari struktur kompleks atom. Pada saat yang sama ketika Thomson dan yang lainnya bereksperimen dengan sinar katoda, penemuan sinar-X dan radioaktivitas memberikan bukti lebih lanjut tentang struktur atom yang kompleks. Pada tahun 1895 W. Roentgen (1845-1923) secara tidak sengaja menemukan radiasi misterius (“ NS-rays "), yang menembus kertas hitam yang membungkus tabung Crookes sambil memeriksa daerah luminescent hijau dari pelepasan listrik. NS Sinar tersebut menyebabkan pancaran layar jarak jauh yang dilapisi dengan kristal barium platinum sianida. Roentgen menemukan bahwa berbagai zat dengan ketebalan berbeda, yang dimasukkan antara layar dan tabung, melemahkan cahaya, tetapi tidak sepenuhnya memadamkannya. Ini menunjukkan daya tembus yang sangat tinggi NS-sinar. Roentgen juga menemukan bahwa sinar ini merambat dalam garis lurus dan tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnet. Munculnya radiasi tembus tak terlihat ketika elektron membombardir berbagai bahan adalah sesuatu yang sama sekali baru. Diketahui bahwa cahaya tampak dari tabung Geissler terdiri dari "garis spektral" terpisah dengan panjang gelombang tertentu dan, oleh karena itu, dikaitkan dengan "getaran" atom dengan frekuensi diskrit. Fitur penting dari radiasi baru, yang membedakannya dari spektrum optik, selain daya tembusnya yang tinggi, adalah bahwa spektrum optik elemen dengan jumlah elektron yang meningkat secara berurutan benar-benar berbeda satu sama lain, sedangkan spektrum x Sinar bervariasi sangat sedikit dari elemen ke elemen.
Penemuan lain yang berkaitan dengan struktur atom adalah bahwa atom-atom dari beberapa unsur dapat memancarkan radiasi secara spontan. Fenomena ini ditemukan pada tahun 1896 oleh A. Becquerel (1852-1908). Becquerel menemukan radioaktivitas menggunakan garam uranium saat mempelajari pendaran garam di bawah pengaruh cahaya dan hubungannya dengan pendaran kaca dalam tabung sinar-X. Dalam salah satu percobaan, diamati menghitamnya pelat fotografi yang dibungkus kertas hitam dan disimpan di dekat garam uranium dalam kegelapan total. Penemuan yang tidak disengaja ini mendorong pencarian intensif untuk contoh lain dari radioaktivitas alam dan eksperimen untuk menentukan sifat radiasi yang dipancarkan. Pada tahun 1898 P. Curie (1859-1906) dan M. Curie (1867-1934) menemukan dua unsur radioaktif lagi - polonium dan radium. E. Rutherford (1871-1937), setelah mempelajari daya tembus radiasi uranium, menunjukkan bahwa ada dua jenis radiasi: radiasi yang sangat "lunak", yang mudah diserap oleh materi dan yang disebut Rutherford sebagai sinar alfa, dan radiasi yang lebih menembus , yang disebut sinar beta. Sinar beta ternyata identik dengan elektron biasa, atau "sinar katoda", yang muncul di tabung pelepasan. Sinar alfa, ternyata, memiliki muatan dan massa yang sama dengan atom helium, kehilangan dua elektronnya. Jenis radiasi ketiga, yang disebut sinar gamma, ternyata mirip dengan x-rays, tetapi memiliki kemampuan penetrasi yang lebih besar.
Semua penemuan ini dengan jelas menunjukkan bahwa atom tidak "tidak dapat dibagi". Ini tidak hanya terdiri dari bagian-bagian yang lebih kecil (elektron dan partikel positif yang lebih berat), tetapi ini dan subpartikel lainnya, tampaknya, secara spontan dipancarkan selama peluruhan radioaktif unsur-unsur berat. Selain itu, atom tidak hanya memancarkan radiasi pada daerah tampak dengan frekuensi diskrit, tetapi juga dapat tereksitasi sehingga mulai memancarkan radiasi elektromagnetik yang lebih "keras", yaitu x-sinar.
Model atom Thomson. J. Thomson, yang memberikan kontribusi besar pada studi eksperimental struktur atom, berusaha menemukan model yang akan menjelaskan semua sifat yang diketahui. Karena fraksi dominan massa atom terkonsentrasi di bagian bermuatan positif, ia berasumsi bahwa atom adalah distribusi bola muatan positif dengan jari-jari sekitar 10-10 m, dan pada permukaannya ada elektron yang dipegang oleh elastis. kekuatan yang memungkinkan mereka untuk bergetar (Gbr. 4). Muatan negatif total elektron secara tepat mengkompensasi muatan positif, sehingga atom menjadi netral secara elektris. Elektron berada pada bola, tetapi mereka dapat melakukan osilasi harmonik sederhana tentang posisi kesetimbangan. Osilasi tersebut hanya dapat terjadi pada frekuensi tertentu, yang sesuai dengan garis spektral sempit yang diamati dalam tabung pelepasan gas. Elektron dapat dengan mudah tersingkir dari posisinya, sebagai akibatnya "ion" bermuatan positif terbentuk, di mana "berkas saluran" disusun dalam percobaan dengan spektrograf massa. x-sinar sesuai dengan nada yang sangat tinggi dari getaran dasar elektron. Partikel alfa yang muncul dari transformasi radioaktif adalah bagian dari bola positif, tersingkir darinya sebagai akibat dari semacam pecahnya atom secara energetik.
Beras. 4. ATOM, menurut model Thomson. Elektron ditahan di dalam bola bermuatan positif oleh gaya elastis. Mereka yang berada di permukaan dapat dengan mudah "knock out", meninggalkan atom terionisasi.
Namun, model ini menimbulkan sejumlah keberatan. Salah satunya adalah karena fakta bahwa, seperti yang ditemukan oleh spektroskopi yang mengukur garis emisi, frekuensi garis-garis ini bukanlah kelipatan sederhana dari frekuensi terendah, sebagaimana seharusnya dalam kasus osilasi muatan periodik. Sebaliknya, mereka bertemu dengan frekuensi yang meningkat, seolah-olah mereka membidik batas. Sudah pada tahun 1885, I. Balmer (1825–1898) berhasil menemukan rumus empiris sederhana yang menghubungkan frekuensi garis di bagian spektrum hidrogen yang terlihat:
di mana n- frekuensi, C- kecepatan cahaya (3Х108 m / s), n Adalah bilangan bulat dan R H- beberapa faktor konstan. Menurut rumus ini, dalam rangkaian garis spektral hidrogen ini seharusnya tidak ada garis dengan panjang gelombang aku kurang dari 364,56 nm (atau frekuensi yang lebih tinggi) sesuai dengan n= . Jadi ternyata, dan ini menjadi keberatan serius untuk model atom Thomson, meskipun upaya telah dilakukan untuk menjelaskan perbedaan dengan perbedaan gaya pemulih elastis untuk elektron yang berbeda.
Berdasarkan model atom Thomson, juga sangat sulit untuk menjelaskan emisi sinar-X atau sinar gamma oleh atom.
Kesulitan dalam model atom Thomson juga disebabkan oleh sikap e / m muatan ke massa untuk atom yang kehilangan elektronnya ("saluran sinar"). Atom paling sederhana adalah atom hidrogen dengan satu elektron dan bola yang relatif masif membawa satu muatan positif. Jauh sebelumnya, pada tahun 1815, W. Praut menyarankan bahwa semua atom yang lebih berat terdiri dari atom hidrogen, dan dapat dimengerti jika massa atom meningkat sebanding dengan jumlah elektron. Namun, pengukuran telah menunjukkan bahwa rasio muatan terhadap massa tidak sama untuk elemen yang berbeda. Misalnya, massa atom neon sekitar 20 kali massa atom hidrogen, sedangkan muatannya hanya 10 unit muatan positif (atom neon memiliki 10 elektron). Seolah-olah muatan positif memiliki massa yang bervariasi, atau benar-benar ada 20 elektron, tetapi 10 di antaranya berada di dalam bola.
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html
1) Potongan materi.
Democritus percaya bahwa sifat-sifat zat ini atau itu ditentukan oleh bentuk, massa, dll., oleh karakteristik atom yang membentuknya: atom api itu tajam, oleh karena itu api mampu membakar, dalam padatan mereka kasar. , oleh karena itu mereka saling menempel dengan kuat, di dalam air mereka halus, oleh karena itu mampu mengalir. Bahkan jiwa manusia, menurut Democritus, terdiri dari atom-atom.
2) "Puding dengan semangat" (model Thomson).
J.J. Thomson mengusulkan untuk menganggap atom sebagai benda bermuatan positif dengan elektron di dalamnya. Model ini tidak menjelaskan sifat serial radiasi atom.
3) Atom, seperti Saturnus. 1904 tahun. Hentara Nagaoka. Sebuah inti positif kecil di mana elektron berputar dalam orbital.
4) Model planet atom. 1911 tahun. Ernest Rutherford, setelah melakukan serangkaian percobaan, sampai pada kesimpulan bahwa atom adalah semacam sistem planet, yaitu elektron bergerak di sekitar inti berat bermuatan positif yang terletak di pusat atom. Untuk menjelaskan stabilitas atom, Niels Bohr harus memperkenalkan postulat, yang bermuara pada fakta bahwa elektron dalam atom, yang berada dalam beberapa keadaan energi khusus, tidak memancar. Postulat Bohr menunjukkan bahwa mekanika klasik tidak berlaku untuk deskripsi atom.
Pengalaman Rutherford
Ernest Rutherford tentang hamburan partikel-a yang melewati lapisan tipis materi. Dalam percobaan ini, balok sempit α Partikel yang dipancarkan oleh zat radioaktif diarahkan ke foil emas tipis. Sebuah layar ditempatkan di belakang foil, mampu bersinar di bawah dampak partikel cepat. Ditemukan bahwa sebagian besar α -partikel menyimpang dari propagasi bujursangkar setelah melewati foil, yaitu, hamburan, dan beberapa α -partikel umumnya terlempar kembali. Penyebaran α -partikel Rutherford dijelaskan oleh fakta bahwa muatan positif tidak merata dalam bola dengan radius 10 -10 m, seperti yang diasumsikan sebelumnya, tetapi terkonsentrasi di bagian tengah atom - inti atom. Saat melewati dekat inti α - sebuah partikel dengan muatan positif ditolak darinya, dan ketika mengenai inti, ia dilemparkan ke arah yang berlawanan. Ini adalah bagaimana partikel dengan muatan yang sama berperilaku, oleh karena itu, ada bagian atom yang bermuatan positif, di mana massa atom yang signifikan terkonsentrasi. Perhitungan telah menunjukkan bahwa untuk menjelaskan eksperimen, perlu untuk mengambil jari-jari inti atom sama dengan kira-kira 10 -15 .
Model atom Rutherford
Inti dari model struktur atom menurut Rutherford adalah sebagai berikut: di pusat atom terdapat inti bermuatan positif, di mana semua massa terkonsentrasi, elektron berputar mengelilingi inti dalam orbit melingkar pada jarak yang jauh. (seperti planet mengelilingi Matahari). Muatan inti bertepatan dengan jumlah unsur kimia dalam tabel periodik.
Model planet dari struktur atom menurut Rutherford tidak dapat menjelaskan sejumlah fakta yang diketahui:
elektron dengan muatan harus jatuh ke nukleus karena gaya tarik Coulomb, dan atom adalah sistem yang stabil; ketika bergerak dalam orbit melingkar, mendekati nukleus, elektron dalam atom harus memancarkan gelombang elektromagnetik dari semua frekuensi yang mungkin, yaitu, cahaya yang dipancarkan harus memiliki spektrum kontinu, tetapi dalam praktiknya ternyata berbeda:
elektron atom memancarkan cahaya dengan spektrum garis. Fisikawan Denmark Niels Bohr adalah orang pertama yang mencoba menyelesaikan kontradiksi model nuklir planet dari struktur atom.
Postulat Bohr
Bohr mendasarkan teorinya pada dua postulat. Postulat pertama: sistem atom hanya dapat berada dalam keadaan stasioner atau kuantum khusus, yang masing-masing memiliki energinya sendiri; dalam keadaan stasioner, atom tidak memancar.
Ini berarti bahwa sebuah elektron (misalnya, dalam atom hidrogen) dapat berada di beberapa orbit yang terdefinisi dengan baik. Setiap orbit elektron sesuai dengan energi yang terdefinisi dengan baik.
Postulat kedua: selama transisi dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya, kuantum radiasi elektromagnetik dipancarkan atau diserap. Energi foton sama dengan perbedaan antara energi atom dalam dua keadaan: hv = E m - n; H= 6,62 10 -34 J s, dimana H - konstanta Planck.
Ketika elektron bergerak dari orbit dekat ke orbit yang lebih jauh, sistem atom menyerap sejumlah energi. Ketika berpindah dari orbit elektron yang lebih jauh ke orbit dekat sehubungan dengan nukleus, sistem atom memancarkan energi kuantum.
Teori Bohr memungkinkan untuk menjelaskan keberadaan spektrum garis.
Sampai akhir abad ke-19, sebagian besar ilmuwan memahami atom sebagai partikel unsur yang tidak dapat diurai dan tidak dapat dibagi lagi - "simpul akhir" materi. Juga diyakini bahwa atom tidak dapat diubah: atom dari unsur tertentu dalam keadaan apa pun tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain.
Akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20 dicirikan oleh penemuan-penemuan baru dalam fisika dan kimia, yang mengubah pandangan atom sebagai partikel yang tidak berubah, membuktikan komposisi atom yang kompleks dan kemungkinan interkonversinya.
Ini termasuk, pertama-tama, penemuan elektron oleh fisikawan Inggris Thomson pada tahun 1897, penemuan dan studi radioaktivitas pada akhir tahun 90-an abad ke-19. A. Becquerel, Maria dan Pierre Curie, E. Rutherford.
Sekitar awal abad kedua puluh. studi tentang sejumlah fenomena (radiasi benda pijar, efek fotolistrik, spektrum atom) telah mengarah pada kesimpulan bahwa energi didistribusikan dan ditransmisikan, diserap dan dipancarkan tidak terus menerus, tetapi secara terpisah, dalam bagian terpisah - kuanta. Energi sistem mikropartikel juga hanya dapat mengambil nilai-nilai tertentu, yang merupakan kelipatan kuanta.
Asumsi energi kuantum pertama kali dikemukakan oleh M. Planck (1900). Energi kuantum E sebanding dengan frekuensi radiasi :
di mana h adalah konstanta Planck (6,626 10 -34 Js), =, s adalah kecepatan cahaya, adalah panjang gelombang.
Pada tahun 1905 A. Einstein meramalkan bahwa setiap radiasi adalah fluks energi kuanta yang disebut foton. Ini mengikuti dari teori Einstein bahwa cahaya memiliki sifat ganda.
Pada tahun 1911, Rutherford mengusulkan model atom planet nuklir, yang terdiri dari inti berat, di mana elektron bergerak dalam orbital, seperti planet-planet tata surya. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh teori medan elektromagnetik, elektron dalam hal ini harus bergerak dalam spiral, terus-menerus memancarkan energi, dan jatuh ke nukleus.
Ilmuwan Denmark N. Bohr, menggunakan model Rutherford dan teori Planck, mengusulkan model kuantum pertama (1913) dari struktur atom hidrogen, yang menurutnya elektron bergerak di sekitar nukleus tidak dalam sembarang, tetapi hanya dalam orbit yang diizinkan, di mana elektron memiliki energi tertentu. Ketika elektron bergerak dari satu orbit ke orbit lain, atom menyerap atau memancarkan energi dalam bentuk kuanta. Teori Bohr memungkinkan untuk menghitung energi elektron, nilai-nilai kuanta energi yang dipancarkan selama transisi elektron dari satu tingkat ke tingkat lainnya. Dia tidak hanya menjelaskan sifat fisik spektrum atom sebagai akibat dari transisi elektron dari satu orbit stasioner ke yang lain, tetapi juga memungkinkan untuk pertama kalinya menghitung spektrum. Perhitungan spektrum atom paling sederhana, atom hidrogen, yang dilakukan oleh Bohr, memberikan hasil yang cemerlang: posisi garis spektral yang dihitung di bagian spektrum yang terlihat bertepatan dengan lokasi sebenarnya dalam spektrum. Tetapi teori Bohr tidak dapat menjelaskan perilaku elektron dalam medan magnet dan semua garis spektrum atom ternyata tidak cocok untuk atom banyak elektron. Muncul kebutuhan untuk model atom baru berdasarkan penemuan di dunia mikro.
2.3. Model mekanika kuantum atom hidrogen. Konsep awal mekanika kuantum
Pada tahun 1924. Louis de Broglie (Prancis) mengajukan asumsi bahwa elektron, seperti mikropartikel lainnya, dicirikan oleh dualitas gelombang-partikel. De Broglie mengusulkan persamaan yang menghubungkan panjang gelombang (λ) dari sebuah elektron atau partikel lain dengan massa (m) dan kecepatan (v):
Gelombang partikel materi de Broglie disebut gelombang material. Mereka adalah karakteristik dari semua partikel atau benda, tetapi, sebagai berikut dari persamaan, untuk benda makro, panjang gelombangnya sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi saat ini. Jadi, untuk benda bermassa 1000 kg yang bergerak dengan kecepatan 108 km/jam (30 m/s), = 2,21 10 -38 m.
Hipotesis De Broglie secara eksperimental dikonfirmasi oleh penemuan efek difraksi dan interferensi aliran elektron. Saat ini, difraksi fluks elektron, neutron, proton banyak digunakan untuk mempelajari struktur zat.
Pada tahun 1927 W. Heisenberg (Jerman) mendalilkan prinsip ketidakpastian, yang menyatakan bahwa posisi dan momentum partikel subatom (mikropartikel) pada prinsipnya tidak dapat ditentukan setiap saat dengan akurasi absolut. Hanya satu dari sifat-sifat ini yang dapat ditentukan pada suatu waktu. E. Schrödinger (Austria) pada tahun 1926 memperoleh deskripsi matematis tentang perilaku elektron dalam atom. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa gerakan elektron dalam atom dijelaskan oleh persamaan gelombang, dan lokasi elektron ditentukan menurut prinsip-prinsip probabilistik. Persamaan Schrödinger, yang merupakan dasar dari teori mekanika kuantum modern tentang struktur atom, memiliki bentuk (dalam kasus yang paling sederhana):
di mana h adalah konstanta Planck, m adalah massa partikel, U adalah energi potensial; - energi total; x, y, z - koordinat; adalah fungsi gelombang.
Untuk mengkarakterisasi keadaan elektron, fungsi gelombang sangat penting. Kotaknya, 2, memiliki arti fisik tertentu. Kuantitas 2 dv menyatakan probabilitas menemukan elektron dalam volume ruang dv yang mengelilingi inti atom. Saat ini, persamaan tersebut memiliki solusi eksak hanya untuk hidrogen dan partikel mirip hidrogen He +, Li 2 +, yaitu. untuk partikel satu elektron. Memecahkan persamaan ini sulit dan di luar cakupan kursus ini.
Karya-karya Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger meletakkan dasar bagi mekanika kuantum, yang mempelajari gerak dan interaksi mikropartikel. Ini didasarkan pada konsep energi kuantum, sifat gelombang dari gerakan partikel mikro dan metode probabilistik (statistik) untuk menggambarkan objek mikro.
Kirim karya bagus Anda di basis pengetahuan sederhana. Gunakan formulir di bawah ini
Mahasiswa, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.
Diposting pada http://www.allbest.ru/
LEMBAGA PENDIDIKAN PROFESIONAL TINGGI ANGGARAN NEGARA FEDERAL LEMBAGA PENDIDIKAN PROFESIONAL FEDERAL
UNIVERSITAS TEKNIS PETROLEUM NEGARA UFA
Departemen Fisika
KARANGAN
Tema abstrak: "Evolusi gagasan tentang struktur inti atom"
DILENGKAPI OLEH: ST. GR. BTE 13-01 A.A. ABDRAKHMANOV
DIPERIKSA OLEH: GURU A. A. E. KURAMSHINA
UFA 2014
pengantar
Bagian utama
Postulat Bohr
Struktur inti atom
Eksperimen Rutherford
Kesimpulan
pengantar
Atom, awalnya dianggap tidak dapat dibagi, adalah sistem yang kompleks. Mereka memiliki inti besar proton dan neutron, di mana elektron bergerak di ruang kosong. Atom sangat kecil - ukurannya sekitar 10-10-10-9 m, dan ukuran inti masih sekitar 100.000 kali lebih kecil (10-15-10-14 m). Oleh karena itu, atom hanya dapat "dilihat" secara tidak langsung, dalam gambar dengan perbesaran yang sangat tinggi (misalnya, dengan bantuan proyektor elektronik otomatis). Tetapi bahkan dalam kasus ini, atom tidak dapat diperiksa secara rinci. Pengetahuan kami tentang struktur internal mereka didasarkan pada sejumlah besar data eksperimental, yang secara tidak langsung, tetapi meyakinkan, mendukung hal di atas.
Konsep struktur atom berubah secara radikal pada abad ke-20. di bawah pengaruh ide-ide teoretis baru dan data eksperimen. Dalam deskripsi struktur internal inti atom, masih ada masalah yang belum terselesaikan yang menjadi bahan penelitian intensif. Bagian berikut menguraikan sejarah perkembangan gagasan tentang struktur atom secara keseluruhan; artikel terpisah (STRUKTUR NUKLIR ATOM) dikhususkan untuk struktur nukleus, karena konsep-konsep ini sebagian besar telah berkembang secara independen. Energi yang dibutuhkan untuk menyelidiki kulit terluar suatu atom relatif kecil, dalam orde energi termal atau kimia. Untuk alasan ini, elektron ditemukan secara eksperimental jauh sebelum penemuan inti.
Inti atom, dengan ukurannya yang kecil, terikat sangat kuat, sehingga hanya dapat dihancurkan dan diselidiki dengan bantuan gaya yang jutaan kali lebih kuat daripada gaya yang bekerja antar atom. Kemajuan pesat dalam memahami struktur internal nukleus dimulai hanya dengan munculnya akselerator partikel. Perbedaan besar dalam ukuran dan energi ikat inilah yang memungkinkan kita untuk mempertimbangkan struktur atom secara keseluruhan secara terpisah dari struktur nukleus.
Untuk mendapatkan gambaran tentang ukuran atom dan ruang kosong yang ditempatinya, perhatikan atom-atom penyusun setetes air dengan diameter 1 mm. Jika Anda secara mental meningkatkan penurunan ini ke ukuran Bumi, maka atom hidrogen dan oksigen yang termasuk dalam molekul air akan memiliki diameter 1-2 m. Bagian utama dari massa setiap atom terkonsentrasi di intinya, diameter yang hanya 0,01 mm ...
Bagian utama
Evolusi ide tentang struktur atom
Penemuan struktur atom yang kompleks merupakan tahap terpenting dalam pembentukan fisika modern. Dalam proses menciptakan teori kuantitatif tentang struktur atom, yang memungkinkan untuk menjelaskan sistem atom, ide-ide baru terbentuk tentang sifat-sifat partikel mikro, yang dijelaskan oleh mekanika kuantum.
Konsep atom sebagai partikel zat yang sangat kecil, seperti disebutkan di atas, muncul di zaman kuno (Democritus, Epicurus, Lucretius). Pada Abad Pertengahan, teori atom, yang bersifat materialistis, tidak mendapat pengakuan. Pada awal abad ke-18. teori atom semakin populer. Pada saat ini, karya kimiawan Prancis A. Lavoisier (1743-1794), ilmuwan besar Rusia M.V. Lomonosov dan ahli kimia dan fisikawan Inggris D. Dalton (1766-1844) membuktikan realitas keberadaan atom. Namun, pada saat ini pertanyaan tentang struktur internal atom bahkan tidak muncul, karena atom dianggap tidak dapat dibagi.
Ahli kimia Rusia yang luar biasa D.I. Mendeleev, yang mengembangkan pada tahun 1869 tabel periodik unsur, di mana pertanyaan tentang sifat tunggal atom pertama kali diajukan secara ilmiah. Pada paruh kedua abad XIX. itu secara eksperimental membuktikan bahwa elektron adalah salah satu bagian utama dari zat apa pun. Kesimpulan ini, serta banyak data eksperimental, mengarah pada fakta bahwa pada awal abad XX. pertanyaan tentang struktur atom muncul dengan serius.
Adanya hubungan teratur antara semua unsur kimia, yang dinyatakan dengan jelas dalam sistem periodik Mendeleev, menunjukkan bahwa struktur semua atom didasarkan pada sifat yang sama: mereka semua berhubungan erat satu sama lain.
Namun, hingga akhir abad XIX. dalam kimia, keyakinan metafisik berlaku bahwa atom adalah partikel terkecil dari materi sederhana, batas terakhir dari keterbagian materi. Selama semua transformasi kimia, hanya molekul yang dihancurkan dan diciptakan kembali, sementara atom tetap tidak berubah dan tidak dapat dipecah menjadi bagian yang lebih kecil.
Untuk waktu yang lama, berbagai asumsi tentang struktur atom belum dikonfirmasi oleh data eksperimen apa pun. Baru pada akhir abad ke-19. penemuan dibuat yang menunjukkan kompleksitas struktur atom dan kemungkinan transformasi dalam kondisi tertentu dari beberapa atom menjadi orang lain. Atas dasar penemuan-penemuan tersebut, teori struktur atom mulai berkembang pesat.
Konfirmasi tidak langsung pertama dari struktur kompleks atom diperoleh dalam studi sinar katoda yang timbul dari pelepasan listrik dalam gas yang sangat langka. Studi tentang sifat-sifat sinar ini mengarah pada kesimpulan bahwa mereka adalah aliran partikel kecil yang membawa muatan listrik negatif dan terbang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Dengan menggunakan metode khusus, dimungkinkan untuk menentukan massa partikel katoda dan besarnya muatannya, untuk mengetahui bahwa mereka tidak bergantung pada sifat gas yang tersisa di dalam tabung, atau pada zat dari mana elektroda itu berasal. dibuat, atau pada kondisi eksperimental lainnya. Selain itu, partikel katoda hanya diketahui dalam keadaan bermuatan dan tidak dapat dihilangkan muatannya dan diubah menjadi partikel netral secara elektrik: muatan listrik adalah inti dari sifatnya. Partikel-partikel ini, yang disebut elektron, ditemukan pada tahun 1897 oleh fisikawan Inggris J. Thomson.
Studi tentang struktur atom praktis dimulai pada tahun 1897-1898, setelah sifat sinar katoda sebagai aliran elektron akhirnya ditetapkan dan besarnya muatan dan massa elektron ditentukan. Thomson mengusulkan model atom pertama, menghadirkan atom sebagai gumpalan materi dengan muatan listrik positif, di mana begitu banyak elektron diselingi, yang mengubahnya menjadi entitas netral secara elektrik. Dalam model ini, diasumsikan bahwa di bawah pengaruh pengaruh eksternal, elektron dapat berosilasi, yaitu, bergerak dengan kecepatan yang dipercepat. Tampaknya ini memungkinkan untuk menjawab pertanyaan tentang emisi cahaya oleh atom materi dan sinar gamma oleh atom zat radioaktif.
Model atom Thomson tidak mengasumsikan partikel bermuatan positif di dalam atom. Namun, bagaimana menjelaskan emisi partikel alfa bermuatan positif oleh zat radioaktif? Model atom Thomson juga tidak menjawab beberapa pertanyaan lain.
Pada tahun 1911, fisikawan Inggris E. Rutherford, ketika mempelajari gerakan partikel alfa dalam gas dan zat lain, menemukan bagian atom yang bermuatan positif. Studi lebih lanjut yang lebih teliti menunjukkan bahwa ketika seberkas sinar paralel melewati lapisan gas atau pelat logam tipis, tidak lagi sinar paralel yang keluar, tetapi agak divergen: hamburan partikel alfa terjadi, yaitu penyimpangannya dari jalan asli. Sudut defleksi kecil, tetapi selalu ada sejumlah kecil partikel (sekitar satu dari beberapa ribu) yang membelokkan sangat kuat. Beberapa partikel terlempar ke belakang, seolah-olah ada rintangan yang tidak bisa ditembus ditemui di jalan. Ini bukan elektron - massanya jauh lebih kecil daripada massa partikel alfa. Lendutan dapat terjadi ketika bertabrakan dengan partikel positif, yang massanya memiliki urutan besarnya yang sama dengan massa partikel alfa. Berdasarkan pertimbangan tersebut, Rutherford mengusulkan skema berikut untuk struktur atom.
Di pusat atom ada inti bermuatan positif, di mana elektron berputar dalam orbit yang berbeda. Gaya sentrifugal yang timbul dari rotasinya diseimbangkan oleh gaya tarik menarik antara inti dan elektron, sebagai akibatnya mereka tetap berada pada jarak tertentu dari inti. Karena massa elektron dapat diabaikan, maka hampir semua massa atom terkonsentrasi di nukleusnya. Nukleus dan elektron, yang jumlahnya relatif kecil, hanya mencakup sebagian kecil dari keseluruhan ruang yang ditempati oleh sistem atom.
Skema struktur atom yang diusulkan oleh Rutherford, atau, seperti yang biasa mereka katakan, model planet atom, dengan mudah menjelaskan fenomena defleksi partikel alfa. Memang, dimensi nukleus dan elektron sangat kecil dibandingkan dengan dimensi seluruh atom, yang ditentukan oleh orbit elektron terjauh dari nukleus, sehingga sebagian besar partikel alfa melewati atom tanpa defleksi yang nyata. Hanya ketika partikel alfa datang sangat dekat dengan nukleus, tolakan listrik menyebabkannya tiba-tiba menyimpang dari jalur aslinya. Dengan demikian, studi tentang hamburan partikel alfa meletakkan dasar bagi teori nuklir atom.
Postulat Bohr
Model atom planet memungkinkan untuk menjelaskan hasil eksperimen tentang hamburan partikel alfa materi, namun, kesulitan mendasar muncul dalam mendukung stabilitas atom.
Upaya pertama untuk membangun teori atom kuantum baru secara kualitatif dilakukan pada tahun 1913 oleh Niels Bohr. Dia menetapkan tujuan menghubungkan menjadi satu kesatuan hukum empiris spektrum garis, model nuklir atom Rutherford, dan sifat kuantum emisi dan penyerapan cahaya. Bohr mendasarkan teorinya pada model nuklir Rutherford. Dia menyarankan bahwa elektron bergerak di sekitar inti dalam orbit melingkar. Gerak melingkar, bahkan pada kecepatan konstan, memiliki percepatan. Pergerakan muatan yang dipercepat ini setara dengan arus bolak-balik, yang menciptakan medan elektromagnetik bolak-balik di ruang angkasa. Dibutuhkan energi untuk menciptakan medan ini. Energi medan dapat diciptakan karena energi interaksi Coulomb elektron dengan nukleus. Akibatnya, elektron harus bergerak dalam spiral dan jatuh ke nukleus. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa atom adalah formasi yang sangat stabil. Oleh karena itu, hasil elektrodinamika klasik berdasarkan persamaan Maxwell tidak dapat diterapkan untuk proses intra-atomik. Perlu untuk menemukan pola baru. Bohr mendasarkan teorinya tentang atom pada postulat berikut.
Pertama mendalilkan bora (mendalilkan Perlengkapan tulis menyatakan): v atom ada Perlengkapan tulis (bukan berubah dengan waktu) menyatakan, v yang dia bukan memancarkan energi. Perlengkapan tulis menyatakan atom sesuai Perlengkapan tulis orbit, pada yang pindah elektron. Lalu lintas elektron pada Perlengkapan tulis mengorbit bukan disertai dengan radiasi elektromagnetik ombak.
Postulat ini bertentangan dengan teori klasik. Dalam keadaan stasioner atom, elektron yang bergerak dalam orbit melingkar harus memiliki nilai kuantum diskrit dari momentum sudut.
Kedua mendalilkan bora (aturan frekuensi): pada transisi elektron dengan satu Perlengkapan tulis mengorbit pada lain dipancarkan (terserap) satu foton dengan energi
setara perbedaan energi yang bersangkutan Perlengkapan tulis menyatakan (En dan Em - masing-masing energi Perlengkapan tulis menyatakan atom sebelum dan setelah radiasi/penyerapan).
Transisi elektron dari orbit stasioner bernomor m ke orbit stasioner bernomor n sesuai dengan transisi atom dari keadaan dengan energi Em menjadi keadaan dengan energi En (Gbr. 1).
Beras. 1 Untuk penjelasan postulat Bohr
Ketika En> Em, sebuah foton dipancarkan (transisi atom dari keadaan dengan energi yang lebih tinggi ke keadaan dengan energi yang lebih rendah, yaitu, transisi elektron dari orbit yang lebih jauh dari inti ke yang lebih dekat), ketika 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
transisi kuantum dan menentukan spektrum garis atom.
Teori Bohr dengan cemerlang menjelaskan spektrum garis hidrogen yang diamati secara eksperimental.
Keberhasilan teori atom hidrogen diperoleh dengan mengabaikan ketentuan dasar mekanika klasik, yang selama lebih dari 200 tahun tetap berlaku tanpa syarat. Oleh karena itu, bukti eksperimental langsung dari validitas postulat Bohr sangat penting, terutama yang pertama - tentang keberadaan keadaan stasioner. Postulat kedua dapat dilihat sebagai konsekuensi dari hukum kekekalan energi dan hipotesis keberadaan foton.
Fisikawan Jerman D. Frank dan G. Hertz, mempelajari tumbukan elektron dengan atom gas dengan metode potensial perlambatan (1913), secara eksperimental mengkonfirmasi keberadaan keadaan stasioner dan diskrit nilai energi atom.
Terlepas dari keberhasilan yang tidak diragukan dari konsep Bohr dalam kaitannya dengan atom hidrogen, yang ternyata memungkinkan untuk membangun teori spektrum kuantitatif, tidak mungkin untuk membuat teori serupa untuk atom hidrogen helium berikutnya berdasarkan gagasan Bohr. Teori Bohr hanya memungkinkan untuk menarik kesimpulan kualitatif (walaupun sangat penting) mengenai atom helium dan atom yang lebih kompleks. Gagasan orbit tertentu di mana elektron bergerak dalam atom Bohr ternyata sangat sewenang-wenang. Faktanya, pergerakan elektron dalam sebuah atom tidak ada hubungannya dengan pergerakan planet-planet dalam orbitnya.
Saat ini, dengan menggunakan mekanika kuantum, Anda dapat menjawab banyak pertanyaan tentang struktur dan sifat atom unsur apa pun.
inti atom boron mendeleev
Struktur inti atom
tingkat nukleon
Kira-kira 20 tahun setelah Rutherford "melihat" nukleusnya di bagian dalam atom, sebuah neutron ditemukan - sebuah partikel dalam semua sifatnya sama dengan nukleus atom hidrogen - sebuah proton, tetapi tanpa muatan listrik. Neutron ternyata sangat nyaman untuk menyelidiki bagian dalam inti. Karena netral secara listrik, medan listrik nukleus tidak menolaknya - karenanya, bahkan neutron yang lambat dapat dengan bebas mendekati nukleus pada jarak di mana gaya nuklir mulai terwujud. Setelah penemuan neutron, fisika dunia mikro bergerak maju dengan pesat.
Segera setelah penemuan neutron, dua fisikawan teoretis - Jerman Werner Heisenberg dan Soviet Dmitry Ivanenko - berhipotesis bahwa inti atom terdiri dari neutron dan proton. Pemahaman modern tentang struktur nukleus didasarkan pada itu.
Proton dan neutron disatukan oleh kata nukleon. Proton adalah partikel elementer yang merupakan inti atom dari unsur kimia paling ringan - hidrogen. Jumlah proton dalam inti sama dengan nomor urut unsur dalam tabel periodik dan dilambangkan dengan Z (jumlah neutron - N). Proton memiliki muatan listrik positif yang nilainya sama dengan muatan listrik dasar. Beratnya sekitar 1836 kali lebih berat dari elektron. Sebuah proton terdiri dari dua i-quark dengan muatan Q = + 2/3 dan satu d-quark dengan Q = - 1/3, terikat oleh medan gluon. Ini memiliki dimensi terbatas dari urutan 10-15 m, meskipun tidak dapat direpresentasikan sebagai bola padat, itu lebih menyerupai awan dengan batas kabur, terdiri dari partikel virtual yang muncul dan memusnahkan.
Muatan listrik neutron adalah 0, massanya sekitar 940 MeV. Sebuah neutron terdiri dari satu u quark dan dua d quark. Partikel ini stabil hanya dalam komposisi inti atom yang stabil, neutron bebas meluruh menjadi elektron, proton, dan antineutrino elektron. Waktu paruh neutron (waktu yang dibutuhkan setengah dari jumlah neutron asli untuk meluruh) adalah sekitar 12 menit. Dalam zat dalam bentuk bebas, neutron ada lebih sedikit waktu karena penyerapannya yang kuat oleh inti. Seperti proton, neutron berpartisipasi dalam semua jenis interaksi, termasuk interaksi elektromagnetik: dengan netralitas umum, karena struktur internalnya yang kompleks, arus listrik ada di dalamnya.
Di dalam nukleus, nukleon diikat oleh gaya khusus - nuklir. Salah satu fitur karakteristik mereka adalah aksi jarak pendek: pada jarak 10-15 m dan kurang, mereka melebihi kekuatan lain, sebagai akibatnya nukleon tidak menyebar di bawah aksi tolakan elektrostatik dari proton yang bermuatan serupa. . Pada jarak yang jauh, gaya nuklir sangat cepat berkurang menjadi nol.
Mekanisme aksi gaya nuklir didasarkan pada prinsip yang sama dengan elektromagnetik - pada pertukaran objek yang berinteraksi dengan partikel virtual.
Dalam teori kuantum, partikel maya adalah partikel yang memiliki bilangan kuantum yang sama (muatan spin, muatan listrik dan baryon, dll.) sebagai partikel nyata yang bersesuaian, tetapi hubungan biasa antara energi, momentum, dan massa tidak berlaku.
Eksperimen Rutherford
Dalam medan magnet, fluks radiasi radioaktif dipecah menjadi 3 komponen: sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma.
Fenomena radioaktivitas membuktikan struktur kompleks atom
Pengalaman Hamburan Alfa Rutherford
1911 - E. Rutherford membuat percobaan tentang hamburan partikel alfa. Seberkas partikel alfa dilewatkan melalui kertas emas tipis.
Emas dipilih sebagai bahan yang sangat plastik dari mana dimungkinkan untuk mendapatkan foil dengan ketebalan hampir satu lapisan atom.
Beberapa partikel alfa melewati foil, menciptakan keburaman di layar, sementara jejak partikel alfa lainnya ditangkap di layar samping.
Pengalaman telah menunjukkan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam volume yang sangat kecil - inti, dan ada celah besar antara inti atom.
Rutherford menunjukkan bahwa model Thomson bertentangan dengan eksperimennya.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami sampai pada kesimpulan bahwa konsep Rutherford - Bohr sudah lebih merupakan partikel kebenaran mutlak, meskipun perkembangan fisika lebih lanjut mengungkapkan banyak kesalahan dalam konsep ini. Bahkan lebih banyak lagi pengetahuan yang benar-benar benar terkandung dalam teori mekanika kuantum atom.
Penemuan struktur kompleks atom menjadi peristiwa terbesar dalam fisika, karena gagasan fisika klasik tentang atom sebagai unit struktural materi yang padat dan tak terpisahkan telah disangkal.
Daftar sumber yang digunakan
1. Fisika untuk semua / L. Cooper - "Dunia" 1974
2. Fisikawan / Khramov Yu.A. - "Sains" 1983
3. Fisika -9.11 / Peryshkin A.V. - "Bustard" 2004
4.P.S. Kudryavtsev. "Kursus sejarah fisika" Moskow 1982.
5. MP Bronstein. "Atom dan Elektron" M. 1980.
6. Sumber daya internet.
7.http: //www.rcio.rsu.ru/.
Diposting di Allbest.ru
...Dokumen serupa
Analisis perkembangan gagasan atomisme dalam sejarah ilmu pengetahuan. Peran partikel elementer dan vakum fisik dalam struktur atom. Inti dari teori atomisme modern. Analisis model kuantum atom. Pengenalan konsep "molekul" oleh Pierre Gassendi. Penemuan efek Compton.
tes, ditambahkan 15/01/2013
Studi tentang konsep struktur dinamis atom di ruang angkasa. Mempelajari struktur atom dan inti atom. Deskripsi dinamika gerak benda di ruang nyata bola potensial. Analisis gerakan spiral partikel kuantum di ruang bebas.
abstrak ditambahkan pada 29/05/2013
Model atom planet Rutherford. Komposisi dan karakteristik inti atom. Massa inti dan energi ikat. Energi ikat nukleon dalam inti. Interaksi antar partikel bermuatan. Collider Hadron Besar. Ketentuan teori fisika partikel elementer.
makalah, ditambahkan 25/04/2015
Sejarah penemuan di bidang struktur inti atom. Model atom sebelum Bohr. Penemuan inti atom. atom bora. Pemisahan nukleus. Model proton-neutron dari nukleus. Radioaktivitas buatan. Struktur dan sifat inti atom yang paling penting.
abstrak, ditambahkan pada 05/08/2003
Model struktur atom. Bentuk orbital atom Tingkat energi atom. Orbital atom sebagai daerah di sekitar inti atom di mana elektron paling mungkin ditemukan. Konsep proton, neutron dan elektron. Inti dari model planet dari struktur atom.
presentasi ditambahkan pada 09/12/2013
Gudang bagian-bagian atom: nukleus, proton, neutron, dan elektronik. Model planet atom atau model Rutherford. Kerovana dan reaksi nuklir lantsyugov yang tidak dipotong. Memahami vibuhu nuklir sebagai proses pengembangan banyak panas dan pertukaran energi.
presentasi ditambahkan pada 21/05/2012
Penemuan struktur atom yang kompleks merupakan tahap terpenting dalam pembentukan fisika modern. Dalam proses pembuatan teori kuantitatif struktur atom yang menjelaskan sistem atom, gagasan tentang sifat-sifat partikel mikro, yang dijelaskan oleh mekanika kuantum, terbentuk.
abstrak, ditambahkan 01/05/2009
Sejarah asal usul dan perkembangan teori atomistik. Konsep Plato dan Aristoteles tentang kesinambungan materi. Teori kinetik korpuskular panas, penemuan radioaktivitas. Model planet awal dari atom Nagaoka. Penentuan muatan elektron.
presentasi ditambahkan pada 28/08/2013
Evolusi ide tentang struktur atom pada contoh model oleh Ernest Rutherford dan Niels Bohr. Orbit stasioner dan tingkat energi. Penjelasan asal mula garis emisi dan spektrum serapan. Kelebihan dan kekurangan teori N. Bohr.
abstrak ditambahkan pada 19/11/2014
Tahapan penelitian struktur atom oleh ilmuwan Thomson, Rutherford, Bohr. Skema percobaan mereka dan interpretasi hasil. Model atom planet Rutherford. postulat kuantum Bohr. Skema transisi dari keadaan stasioner ke keadaan tereksitasi dan sebaliknya.
Konsep "atom" dikenal di zaman kuno dan digunakan untuk menggambarkan gagasan tentang struktur dunia sekitarnya oleh para filsuf Yunani kuno, sehingga Leucippus (500-200 SM) berpendapat bahwa dunia terdiri dari partikel terkecil dan kekosongan, dan Democritus disebut partikel ini adalah atom dan percaya bahwa mereka ada selamanya dan mampu bergerak. Menurut gagasan para filsuf kuno, atom sangat kecil sehingga tidak dapat diukur, dan bentuk serta perbedaan eksternal memberikan sifat pada benda tertentu. Misalnya, atom besi harus memiliki "gigi" untuk saling bertautan dan membentuk padatan, sedangkan atom air, sebaliknya, harus halus dan menggulung untuk memberikan fluiditas pada air. Asumsi pertama tentang kemampuan atom untuk berinteraksi secara independen satu sama lain dibuat oleh Epicurus.
M.V. Lomonosov, ia membedakan dua tahap dalam struktur materi: elemen (atom, dalam pemahaman kita) dan sel darah (molekul). Lomonosov berpendapat bahwa zat sederhana terdiri dari atom dari satu jenis, dan yang kompleks - dari atom yang berbeda.
Teori atom-molekul menerima pengakuan dunia berkat J. Dalton, yang, tidak seperti para filsuf Yunani kuno, hanya mengandalkan data eksperimen dalam merumuskan pernyataannya. J. Dalton memperkenalkan salah satu karakteristik paling penting dari atom - massa atom, yang nilai relatifnya ditetapkan untuk sejumlah elemen. Tetapi, terlepas dari penemuannya, atom dianggap tidak dapat dibagi.
Setelah menerima bukti eksperimental (akhir XIX - awal abad XX), kompleksitas struktur atom: penemuan efek fotolistrik (emisi pembawa muatan listrik dari permukaan logam saat disinari), katoda (aliran partikel bermuatan negatif - elektron, dalam tabung, yang memiliki katoda dan anoda), dan sinar-X (pancaran radiasi elektromagnetik yang kuat oleh zat, mirip dengan cahaya tampak, tetapi dengan frekuensi yang lebih tinggi, ketika sinar katoda bekerja pada zat ini ), radioaktivitas (perubahan spontan suatu unsur menjadi unsur lain, yang didalamnya terdapat pancaran elektron, partikel bermuatan positif dan partikel lainnya, serta radiasi sinar-X) ditemukan bahwa atom terdiri dari partikel bermuatan negatif dan positif yang berinteraksi satu sama lain. Penemuan-penemuan ini memberi dorongan pada penciptaan model pertama struktur atom.
Salah satu model atom pertama dikembangkan oleh W. Thomson (1902) Menurut W. Thomson, atom adalah sekelompok materi bermuatan positif, elektron terdistribusi secara merata di dalam, dan atom hidrogen adalah bola bermuatan positif dengan elektron di dalam (Gbr.1a). Model ini disempurnakan oleh J. Thomson (1904) (Gbr. 1b). Pada tahun yang sama, fisikawan Jepang H. Nagaoka mengusulkan "model Saturnus" dari struktur atom, dengan asumsi bahwa atom mirip dengan planet Saturnus - di tengahnya terdapat nukleus yang dikelilingi oleh cincin di mana elektron bergerak (Gbr. .1c).
Model lain diusulkan oleh fisikawan Jerman Philip von Lenard, yang menurutnya atom terdiri dari partikel netral yang sangat kecil (sebagai akibatnya, sebagian besar atom adalah kekosongan), yang masing-masing adalah doublet listrik (Gbr. 1d).
Beras. 1. Model struktur atom: a - W. Thomson; b - J. Thomson; c - H. Nagaoka; Tuan F. Lenard
Setelah percobaan dengan partikel, pada tahun 1911. Rutherford mengusulkan apa yang disebut model planet struktur atom, mirip dengan struktur tata surya (inti kecil bermuatan positif di pusat atom, yang berisi hampir semua massa atom, di mana elektron bergerak dalam orbit). Model planet dikembangkan lebih lanjut dalam karya N. Bohr, A. Sommerfeld dan lain-lain.
Model modern struktur atom didasarkan pada pengetahuan mekanika kuantum, tesis utamanya adalah bahwa mikropartikel bersifat gelombang, dan gelombang adalah sifat partikel. Mekanika kuantum mempertimbangkan kemungkinan menemukan elektron di sekitar inti. Ruang di sekitar inti di mana elektron paling mungkin ditemukan disebut orbital.
Isotop
Isotop adalah atom-atom yang memiliki muatan inti yang sama, tetapi massanya berbeda. Atom-atom semacam itu secara praktis memiliki struktur kulit elektron yang sama dan termasuk dalam unsur yang sama. Studi tentang senyawa alam dari berbagai unsur menunjukkan adanya isotop stabil di sebagian besar unsur sistem periodik. Untuk semua elemen tabel periodik, jumlah isotop alami mencapai 280.
Contoh isotop yang paling mencolok dapat disebut isotop hidrogen - hidrogen, deuterium, dan tritium. Hidrogen dan deuterium ditemukan di alam. Tritium diproduksi secara artifisial.
Isotop yang tidak stabil, yaitu memiliki kemampuan untuk meluruh secara spontan, disebut isotop radioaktif. Mereka juga dapat ditemukan dalam senyawa alami dari unsur-unsur tertentu.
Susunan inti atom. Reaksi nuklir
Inti atom mengandung banyak partikel elementer, yang terpenting adalah proton (p) dan neutron (n). Massa proton adalah 1,0073 sma, muatan +1, sedangkan neutron secara elektrik netral (bermuatan 0) dan memiliki massa 1,0087 sma.
Menurut teori struktur inti proton-neutron (DD Ivanenko, EN Gapon, 1932), inti semua atom, kecuali hidrogen, terdiri dari Z proton dan (AZ) neutron (Z adalah nomor urut unsur , A adalah nomor massa). Jumlah elektron sama dengan jumlah proton.
di mana N adalah jumlah neutron.
Sifat-sifat inti ditentukan oleh komposisinya (angka p dan n). Jadi, misalnya, dalam atom oksigen terdapat 16 8 O 8 proton dan 16-8 = 8 neutron, yang secara singkat ditulis sebagai 8p, 8n.
Di dalam inti, p dan n dapat berubah (dalam kondisi tertentu) menjadi satu sama lain:
di mana e + adalah positron (partikel elementer dengan massa sama dengan massa elektron m dan muatan +1), dan u adalah neutrino dan antineutrino, partikel elementer dengan massa dan muatan sama dengan nol, hanya berbeda dalam putaran.
Reaksi nuklir adalah transformasi inti atom sebagai hasil interaksinya dengan partikel elementer atau satu sama lain. Saat menulis persamaan reaksi nuklir, perlu untuk mempertimbangkan hukum kekekalan massa dan muatan. Contoh: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.
Ciri reaksi nuklir adalah pelepasan sejumlah besar energi dalam bentuk energi kinetik dari partikel atau radiasi yang dihasilkan.
Tugas:
1. Tentukan jumlah proton, neutron, dan elektron dalam atom S, Se, Al, Ru.
2. Selesaikan reaksi nuklir: 14 7 N + 4 2 He =; 12 6 C + 1 0 n =.
Jawaban:
1.S: Z = 16, A = 32, jadi 16p, 16e, 32-16 = 16n
Se: Z = 34, A = 79, maka 34p, 34e, 79-34 = 45n
Al: Z = 13, A = 27, maka 13p, 13e, 27-13 = 14n
Ru: Z = 44, A = 101, maka 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 Be + 4 2 He
Memuat ...