Fizikos šaka, tirianti vidinę atomų sandarą. Atomai, kurie iš pradžių buvo laikomi nedalomi, yra sudėtingos sistemos. Juose yra didžiulis protonų ir neutronų branduolys, aplink kurį tuščioje erdvėje juda elektronai. Atomai labai smulkūs – jų dydis apie 10 –10 –10 –9 m, o branduolio dydis dar apie 100 000 kartų mažesnis (10 –15 –10 –14 m). Todėl atomus galima „pamatyti“ tik netiesiogiai, vaizde su labai dideliu padidinimu (pavyzdžiui, autoelektroninio projektoriaus pagalba). Tačiau net ir šiuo atveju atomai negali būti išsamiai išnagrinėti. Mūsų žinios apie jų vidinę struktūrą yra pagrįstos didžiuliu kiekiu eksperimentinių duomenų, kurie netiesiogiai, bet įtikinamai liudija tai, kas išdėstyta aukščiau.
Atomo sandaros samprata radikaliai pasikeitė XX a. naujų teorinių idėjų ir eksperimentinių duomenų įtakoje. Atomo branduolio vidinės sandaros aprašyme vis dar yra neišspręstų klausimų, kurie yra intensyvaus tyrimo objektas. Tolesniuose skyriuose aprašoma idėjų apie viso atomo sandarą raidos istorija; atskiras straipsnis skirtas branduolio struktūrai ( ATOMO BRANDUOLIŲ STRUKTŪRA), nes šios sąvokos vystėsi iš esmės nepriklausomai. Energija, reikalinga atomo išoriniams apvalkalams ištirti, yra palyginti maža, šiluminės arba cheminės energijos eilės tvarka. Dėl šios priežasties elektronai buvo eksperimentiškai atrasti dar gerokai prieš branduolio atradimą.
Mažo dydžio branduolys yra labai stipriai surištas, todėl jį sunaikinti ir ištirti galima tik naudojant jėgas, kurios yra milijonus kartų intensyvesnės už jėgas, veikiančias tarp atomų. Sparti pažanga suprasti vidinę branduolio struktūrą prasidėjo tik atsiradus dalelių greitintuvams. Būtent šis didžiulis dydžio ir surišimo energijos skirtumas leidžia vertinti atomo struktūrą kaip visumą atskirai nuo branduolio struktūros.
Norėdami suprasti atomo dydį ir jo užimamą tuščią erdvę, apsvarstykite atomus, kurie sudaro 1 mm skersmens vandens lašą. Jei protiškai padidinsite šį kritimą iki Žemės dydžio, tada į vandens molekulę įtrauktų vandenilio ir deguonies atomų skersmuo bus 1–2 m. Pagrindinė kiekvieno atomo masės dalis yra sutelkta jo šerdyje, kurio skersmuo buvo tik 0,01 mm ...
Bendriausių idėjų apie atomą atsiradimo istorija dažniausiai vedama iš graikų filosofo Demokrito laikų (apie 460 m. – apie 370 m. pr. Kr.), kuris daug galvojo apie smulkiausias daleles, į kurias būtų galima suskirstyti bet kurią medžiagą. . Grupė graikų filosofų, kurie laikėsi nuomonės, kad egzistuoja tokios mažytės nedalomos dalelės, buvo vadinami atomistais. Graikų filosofas Epikūras (apie 342–270 m. pr. Kr.) perėmė atominę teoriją, o pirmajame amžiuje prieš Kristų. vienas iš jo pasekėjų, romėnų poetas ir filosofas Lukrecijus Karas, Epikūro mokymą išdėstė eilėraštyje „Apie daiktų prigimtį“, kurio dėka jis buvo išsaugotas ateities kartoms. Aristotelis (384–322 m. pr. Kr.), vienas didžiausių antikos mokslininkų, nepriėmė atomizmo teorijos, o jo pažiūros į filosofiją ir mokslą vėliau įsivyravo viduramžių mąstyme. Atrodo, kad atominė teorija neegzistavo iki pat Renesanso pabaigos, kai grynai spekuliatyvų filosofinį samprotavimą pakeitė eksperimentas.
Renesanso epochoje prasidėjo sistemingi tyrimai srityse, kurios dabar vadinamos chemija ir fizika, atnešdamos naujų įžvalgų apie „nedalomų dalelių“ prigimtį. R. Boyle'as (1627-1691) ir I. Newtonas (1643-1727) savo samprotavimuose rėmėsi mintimi apie nedalomų materijos dalelių egzistavimą. Tačiau nei Boyle'ui, nei Newtonui nereikėjo išsamios atominės teorijos, kuri paaiškintų juos dominančius reiškinius, o jų eksperimentų rezultatai nepasakė nieko naujo apie „atomų“ savybes.
ATOMO STRUKTŪRA
Daltono dėsniai. Pirmasis tikrai mokslinis atominės teorijos pagrindimas, įtikinamai parodantis hipotezės, kad kiekvienas cheminis elementas susideda iš mažiausių dalelių, racionalumą ir paprastumą, buvo anglų mokyklos matematikos mokytojo J. Daltono (1766-1844), kurio straipsnis apie ši problema atsirado 1803 m.
Daltonas ištyrė dujų savybes, ypač dujų, kurios pateko į cheminio junginio susidarymo reakciją, tūrių santykį, pavyzdžiui, kai vanduo susidarė iš vandenilio ir deguonies. Jis nustatė, kad sureagavusio vandenilio ir deguonies kiekių santykiai visada yra mažų sveikųjų skaičių santykiai. Taigi susidarius vandeniui (H 2 O) su 16 g deguonies reaguoja 2,016 g dujinio vandenilio, o susidarius vandenilio peroksidui (H 2 O 2) 32 g dujinio deguonies susijungia su 2,016 g. vandenilio. Deguonies masės, reaguojančios su ta pačia vandenilio mase, susidarant šiems dviem junginiams, yra susijusios viena su kita kaip nedideli skaičiai:
Remdamasis šiais rezultatais, Daltonas suformulavo savo „daugybinių santykių dėsnį“. Pagal šį dėsnį, jei du elementai susijungia skirtingomis proporcijomis, sudarydami skirtingus junginius, tai vieno iš elementų masės, sujungtos su tokiu pat kiekiu antrojo elemento, yra susijusios kaip maži sveikieji skaičiai. Pagal antrąjį Daltono įstatymą, „pastovių santykių dėsnį“, bet kuriame cheminiame junginyje į jį įtrauktų elementų masių santykis visada yra vienodas. Daug eksperimentinių duomenų, susijusių ne tik su dujomis, bet ir su skysčiais bei kietaisiais junginiais, surinko J. Berzelius (1779-1848), atlikęs tikslius daugelio junginių reaguojančių elementų masių matavimus. Jo duomenys patvirtino Daltono suformuluotus dėsnius ir įtikinamai parodė, kad kiekvienas elementas turi mažiausią masės vienetą.
Daltono atominiai postulatai turėjo pranašumą prieš abstrakčius senovės graikų atomistų samprotavimus, nes jo dėsniai leido paaiškinti ir susieti tikrų eksperimentų rezultatus, taip pat numatyti naujų eksperimentų rezultatus. Jis postulavo, kad 1) visi to paties elemento atomai yra identiški visais atžvilgiais, visų pirma, jų masės yra vienodos; 2) skirtingų elementų atomai turi skirtingas savybes, ypač jų masės nėra vienodos; 3) junginys, skirtingai nei elementas, turi tam tikrą sveikąjį skaičių kiekvieno jį sudarančio elemento atomų; 4) cheminėse reakcijose gali įvykti atomų persiskirstymas, tačiau nė vienas atomas nėra sunaikinamas ir nesusikuria. (Tiesą sakant, kaip paaiškėjo XX a. pradžioje, šie postulatai nėra gana griežtai įvykdyti, nes to paties elemento atomai gali turėti skirtingą masę, pavyzdžiui, vandenilis turi tris tokius tipus, vadinamus izotopais; be to, atomai gali įvykti radioaktyvių transformacijų ir net visiškai subyrėti, bet ne Daltono svarstomose cheminėse reakcijose.) Remiantis šiais keturiais postulatais, Daltono atominė teorija pateikė paprasčiausią pastovių ir daugybinių santykių dėsnių paaiškinimą.
Nors Daltono dėsniai yra visos chemijos pagrindas, jie nenustato tikrojo atomų dydžio ir masės. Jie nieko nesako apie atomų skaičių tam tikroje elemento ar junginio masėje. Paprastų medžiagų molekulės yra per mažos, kad jas būtų galima sverti atskirai, todėl atomų ir molekulių masėms nustatyti tenka naudoti netiesioginius metodus.
Avogadro numeris. 1811 metais A. Avogadro (1776–1856) iškėlė hipotezę, kuri labai supaprastino analizę, kaip iš elementų susidaro junginiai, ir nustatė skirtumą tarp atomų ir molekulių. Jo idėja buvo ta, kad vienoduose dujų, esančių toje pačioje temperatūroje ir slėgyje, tūriuose yra tiek pat molekulių. Iš esmės užuominą apie tai galima rasti ankstesniame J. Gay-Lussac (1778-1850) darbe, kuris nustatė, kad į cheminę reakciją patenkančių dujinių elementų tūrių santykis išreiškiamas sveikais skaičiais, nors ir skiriasi. iš Daltono gautų masės santykių. Pavyzdžiui, 2 litrai vandenilio dujų (H 2 molekulės) susijungia su 1 litru deguonies dujų (O 2 molekulių), kad susidarytų 1 litras vandens garų (H 2 O molekulės).
Tikrasis molekulių skaičius tam tikrame dujų tūryje yra nepaprastai didelis ir iki 1865 metų jo nebuvo galima nustatyti priimtinu tikslumu. Tačiau jau Avogadro metu buvo atlikti apytiksliai vertinimai, remiantis dujų kinetine teorija. Labai patogus vienetas medžiagos kiekiui matuoti yra molis, t.y. medžiagos, kurioje yra tiek molekulių, kiek atomų yra 0,012 kg labiausiai paplitusio anglies izotopo 12 C. Vienas molis idealių dujų normaliomis sąlygomis (n.u.), t.y. standartinė temperatūra ir slėgis, užima 22,4 litro tūrį. Avogadro skaičius yra bendras molekulių skaičius viename molyje medžiagos arba 22,4 litro dujų normaliomis sąlygomis. Kiti metodai, tokie kaip rentgenografija, suteikia Avogadro numerį N 0 reikšmės yra tikslesnės nei gautos remiantis kinetikos teorija. Šiuo metu priimta reikšmė yra 6,0221367X10 23 atomai (molekulės) viename molyje. Vadinasi, 1 litre oro yra maždaug 3 × 10 22 deguonies, azoto ir kitų dujų molekulės.
Svarbus Avogadro skaičiaus vaidmuo atomo fizikoje yra susijęs su tuo, kad jis leidžia nustatyti atomo ar molekulės masę ir apytikslius matmenis. Kadangi 22,4 litro dujinio H 2 masė yra 2,016 × 10 –3 kg, tai vieno vandenilio atomo masė yra 1,67 × 10 –27 kg. Jei darysime prielaidą, kad kietosios medžiagos atomai yra arti vienas kito, tada Avogadro skaičius leis apytiksliai įvertinti spindulį r tarkim, aliuminio atomai. Aliuminio 1 molis yra 0,027 kg, o tankis - 2,7 × 10 3 kg / m 3. Be to, mes turime
Kur r»1,6 × 10–10 m. Taigi pirmieji Avogadro skaičiaus įverčiai leido suprasti atominius matmenis.
Elektrono atradimas. Eksperimentiniai duomenys, susiję su cheminių junginių susidarymu, patvirtino „atominių“ dalelių egzistavimą ir leido spręsti apie mažą atskirų atomų dydį ir masę. Tačiau tikroji atomų struktūra, įskaitant dar mažesnių dalelių, sudarančių atomus, egzistavimą, liko neaiški, kol J. J. Thomsonas 1897 m. atrado elektroną. Iki tol atomas buvo laikomas nedalomu ir skiriasi cheminės savybės. įvairių elementų neturėjo paaiškinimo. Dar prieš Tomsono atradimą buvo atlikta nemažai įdomių eksperimentų, kurių metu kiti mokslininkai tyrė elektros srovę stikliniuose vamzdeliuose, užpildytuose dujomis esant žemam slėgiui. Tokie vamzdžiai, pavadinti Geissler vamzdžiais pagal vokiečių stiklo pūtėjo G. Geisslerio (1815–1879), pradėjusio juos gaminti, vardu, prijungus prie indukcinės ritės aukštos įtampos apvijos skleisdavo ryškų švytėjimą. Šiomis elektros iškrovomis susidomėjo W. Crookesas (1832-1919), kuris nustatė, kad iškrovos pobūdis vamzdyje kinta priklausomai nuo slėgio, o esant dideliam vakuumui iškrova visiškai išnyksta. Vėlesni J. Perrin (1870-1942) tyrimai parodė, kad švytėjimą sukeliantys „katodiniai spinduliai“ yra neigiamo krūvio dalelės, kurios juda tiesia linija, tačiau gali būti nukreiptos magnetinio lauko. Tačiau dalelių krūvis ir masė liko nežinomi ir neaišku, ar visos neigiamos dalelės buvo vienodos.
Didelis Thomsono nuopelnas buvo įrodymas, kad visos dalelės, sudarančios katodinius spindulius, yra identiškos viena kitai ir yra medžiagos dalis. Naudojant specialų išleidimo vamzdį, parodytą Fig. 1, Thomsonas išmatavo katodinių spindulių dalelių, vėliau vadinamų elektronais, greitį ir krūvio ir masės santykį. Elektronai pabėgo iš katodo, veikiant aukštos įtampos išlydžiui vamzdyje. Per diafragmas D ir E praėjo tik tie, kurie skrido išilgai vamzdžio ašies.
Ryžiai. 1. MOKESIO SU MASĖS SANTYKIS. Anglų fiziko J. Thomsono vamzdelis katodinių spindulių krūvio ir masės santykiui nustatyti. Šie eksperimentai leido atrasti elektroną.
Įprastu režimu šie elektronai patenka į liuminescencinio ekrano centrą. (Thomsono vamzdis buvo pirmasis "katodinių spindulių vamzdis" su ekranu, televizijos vaizdo vamzdžio pirmtakas.) Vamzdis taip pat turėjo elektrinių kondensatorių plokščių, kurios, jei būtų įjungtas, galėtų nukreipti elektronus. Elektrinė jėga F E veikiantis pagal kaltinimą e iš elektrinio lauko pusės E, pateikiama išraiška
F E = eE .
Be to, tame pačiame vamzdžio regione būtų galima sukurti magnetinį lauką, naudojant porą srovės ritių, galinčių nukreipti elektronus priešinga kryptimi. Galia F H veikiantis iš magnetinio lauko H, proporcingas lauko stiprumui, dalelių greičiui v ir jos užtaisas e :
F H = Hev .
Tomsonas sureguliavo elektrinį ir magnetinį laukus taip, kad bendra elektronų deformacija būtų lygi nuliui, t.y. elektronų pluoštas grįžo į pradinę padėtį. Kadangi šiuo atveju abi jėgos F E ir F H yra lygūs, elektronų greitis pateikiamas išraiška
v = E / H .
Thomsonas nustatė, kad šis greitis priklauso nuo vamzdžio įtampos. V ir kad elektronų kinetinė energija mv 2/2 yra tiesiogiai proporcinga šiai įtampai, t.y. mv 2 /2 = eV... (Iš čia atsiranda terminas „elektronvoltas“ – energijai, kurią įgyja dalelė, kurios krūvis lygus elektrono krūviui, kai pagreitinama 1 V potencialų skirtumu.) Sujungus šią lygtį su elektrono greičio išraiška, jis nustatė krūvio ir masės santykį:
Šie eksperimentai leido nustatyti požiūrį e /m elektronui ir davė apytikslę krūvio reikšmę e... Tiksliai dydis e išmatavo R. Millikanas, savo eksperimentais pasiekęs, kad įkrauti alyvos lašeliai pakibo ore tarp kondensatoriaus plokščių. Šiuo metu elektrono charakteristikos žinomos labai tiksliai:
Taigi elektrono masė yra daug mažesnė už vandenilio atomo masę:
Thomsono eksperimentai parodė, kad elektronai elektros išlydžiose gali atsirasti iš bet kokios medžiagos. Kadangi visi elektronai yra vienodi, elementai turėtų skirtis tik elektronų skaičiumi. Be to, maža elektronų masės reikšmė rodė, kad atomo masė juose nebuvo sukoncentruota.
Thomson masės spektrografas. Netrukus likusi teigiamo krūvio atomo dalis buvo pastebėta naudojant tą patį, nors ir modifikuotą, išlydžio vamzdį, kuris leido atrasti elektroną. Jau pirmieji eksperimentai su išlydžio vamzdeliais parodė, kad jei katodas su skylute dedamas vamzdelio viduryje, tada teigiamai įkrautos dalelės praeina per katode esantį „kanalą“, sukeldamos liuminescencinį ekraną, esantį vamzdžio gale, esančiame priešais. nuo anodo iki švytėjimo. Šiuos teigiamus „kanalo pluoštus“ taip pat nukreipė magnetinis laukas, tačiau priešinga kryptimi nei elektronai.
Thomsonas nusprendė išmatuoti šių naujų spindulių masę ir krūvį, taip pat naudodamas elektrinius ir magnetinius laukus dalelėms nukreipti. Jo prietaisas teigiamiems spinduliams tirti, „masių spektrografas“, schematiškai parodytas fig. 2. Jis skiriasi nuo įrenginio, parodyto pav. 1, dėl to, kad elektrinis ir magnetinis laukai nukreipia daleles stačiu kampu vienas kito atžvilgiu, todėl neįmanoma gauti „nulinio“ nuokrypio. Teigiamai įkrauti atomai pakeliui tarp anodo ir katodo gali prarasti vieną ar daugiau elektronų ir dėl šios priežasties jie gali įsibėgėti iki skirtingos energijos. To paties tipo atomai, turintys tą patį krūvį ir masę, tačiau turintys tam tikrą galutinių greičių sklaidą, nubrėžs lenktą liniją (parabolės segmentą) ant liuminescencinio ekrano arba fotografijos plokštės. Esant skirtingos masės atomams, sunkesni (to paties krūvio) atomai nuo centrinės ašies nukryps silpniau nei lengvesni. Fig. 3 parodyta parabolių nuotrauka, gauta naudojant Thomson masės spektrografą. Siauriausia parabolė atitinka sunkiausią pavieniui jonizuotą atomą (gyvsidabrio atomą), iš kurio išmuštas vienas elektronas. Dvi plačiausios parabolės atitinka vandenilį, viena – atominį H+, o kita – molekulinį H2+, abi yra pavieniui jonizuotos. Kai kuriais atvejais prarandami du, trys ar net keturi krūviai, tačiau atominis vandenilis niekada nebuvo pastebėtas jonizuotas daugiau nei vieną kartą. Ši aplinkybė buvo pirmasis požymis, kad vandenilio atome yra tik vienas elektronas, t.y. tai paprasčiausias iš atomų.
Ryžiai. 2. MASĖS SPEKTROGRAFAS, naudojamas Thomson, siekiant nustatyti santykines įvairių atomų masių vertes nuo teigiamų spindulių nukreipimo magnetiniuose ir elektriniuose laukuose.
Ryžiai. 3. MASĖS SPEKTRAS, nuotraukos su penkių medžiagų jonizuotų atomų pasiskirstymu, gautos masių spektrografu. Kuo didesnė atomų masė, tuo mažesnė deformacija.
Kiti sudėtingos atomo struktūros įrodymai. Tuo pat metu, kai Thomsonas ir kiti eksperimentavo su katodiniais spinduliais, rentgeno spindulių ir radioaktyvumo atradimas suteikė papildomų įrodymų apie sudėtingą atomo struktūrą. 1895 m. W. Rentgenas (1845-1923) atsitiktinai atrado paslaptingą spinduliuotę (“ X-spinduliai“), kuris prasiskverbė į juodą popierių, kuriuo jis apvyniojo Crookes vamzdelį, tirdamas žalią liuminescencinę elektros iškrovos sritį. X Spinduliai sukėlė nuotolinio ekrano, padengto kristaliniu bario platinos cianidu, švytėjimą. Rentgenas išsiaiškino, kad įvairios skirtingo storio medžiagos, patekusios tarp ekrano ir vamzdelio, silpnina švytėjimą, tačiau visiškai jo neužgesina. Tai rodė itin didelę skverbimosi galią. X- spinduliai. Rentgenas taip pat nustatė, kad šie spinduliai sklinda tiesia linija ir nėra nukreipiami elektrinių ir magnetinių laukų. Tokios nematomos prasiskverbiančios spinduliuotės atsiradimas elektronams bombarduojant įvairias medžiagas buvo kažkas visiškai naujo. Buvo žinoma, kad matoma šviesa iš Geissler vamzdžių susideda iš atskirų "spektrinių linijų" su specifiniais bangos ilgiais ir todėl yra susijusi su atskirų dažnių atomų "vibracijomis". Esminė naujosios spinduliuotės ypatybė, išskyrusi ją iš optinių spektrų, be didelės prasiskverbimo galios, buvo ta, kad elementų, turinčių nuosekliai didėjantį elektronų skaičių, optiniai spektrai visiškai skyrėsi vienas nuo kito, o spektrai. X Spinduliai labai nežymiai skyrėsi nuo elemento iki elemento.
Kitas atradimas, susijęs su atomo struktūra, buvo tas, kad kai kurių elementų atomai gali spontaniškai skleisti spinduliuotę. Šį reiškinį 1896 metais atrado A. Becquerel (1852-1908). Becquerel atrado radioaktyvumą naudodamas urano druskas, tirdamas druskų liuminescenciją veikiant šviesai ir jos ryšį su stiklo liuminescencija rentgeno vamzdyje. Vieno iš eksperimentų metu buvo pastebėtas juodu popieriumi įvyniotos fotografinės plokštės, esančios prie urano druskos visiškoje tamsoje, juodėjimas. Šis atsitiktinis atradimas paskatino intensyviai ieškoti kitų natūralaus radioaktyvumo pavyzdžių ir eksperimentuoti skleidžiamos spinduliuotės pobūdžiui nustatyti. 1898 metais P. Curie (1859-1906) ir M. Curie (1867-1934) atrado dar du radioaktyvius elementus – polonį ir radį. E. Rutherfordas (1871-1937), ištyręs urano spinduliuotės prasiskverbimo galią, parodė, kad yra dviejų tipų spinduliuotė: labai „minkštoji“ spinduliuotė, kurią lengvai sugeria medžiaga ir kurią Rutherfordas pavadino alfa spinduliais, ir labiau skvarbi spinduliuotė. , kuriuos jis pavadino beta spinduliais. Beta spinduliai pasirodė esą identiški įprastiems elektronams arba „katodiniams spinduliams“, atsirandantiems išlydžio vamzdeliuose. Alfa spinduliai, kaip paaiškėjo, turi tokį patį krūvį ir masę kaip helio atomai, neturintys dviejų elektronų. Trečioji spinduliuotės rūšis, vadinama gama spinduliais, pasirodė panaši į X-spinduliai, bet turėjo dar didesnį skvarbumą.
Visi šie atradimai aiškiai parodė, kad atomas nėra „nedalomas“. Jį sudaro ne tik smulkesnės dalys (elektronai ir sunkesnės teigiamos dalelės), bet šios ir kitos dalelės, matyt, spontaniškai išsiskiria radioaktyvaus sunkiųjų elementų skilimo metu. Be to, atomai ne tik skleidžia spinduliuotę matomoje srityje diskrečiu dažniu, bet ir gali taip susijaudinti, kad pradeda skleisti daugiau „kietos“ elektromagnetinės spinduliuotės, t. X- spinduliai.
Tomsono atomo modelis. J. Thomsonas, įnešęs didžiulį indėlį į eksperimentinį atomo sandaros tyrimą, stengėsi rasti modelį, kuris paaiškintų visas žinomas jo savybes. Kadangi vyraujanti atomo masės dalis yra sutelkta teigiamai įkrautoje dalyje, jis manė, kad atomas yra sferinis teigiamo krūvio pasiskirstymas, kurio spindulys yra apie 10–10 m, o jo paviršiuje yra elektronai, laikomi tamprumo jėgos, leidžiančios jiems vibruoti (4 pav.). Bendras neigiamas elektronų krūvis tiksliai kompensuoja teigiamą krūvį, todėl atomas yra elektriškai neutralus. Elektronai yra sferoje, tačiau jie gali atlikti paprastus harmoninius svyravimus apie pusiausvyros padėtį. Tokios vibracijos gali atsirasti tik esant tam tikriems dažniams, kurie atitinka siauras spektro linijas, stebimas dujų išlydžio vamzdeliuose. Elektronus galima gana nesunkiai išmušti iš savo pozicijų, ko pasekoje susidaro teigiamo krūvio „jonai“, iš kurių eksperimentuojant su masių spektrografu susidaro „kanalų pluoštai“. X-spinduliai atitinka labai aukštus pagrindinių elektronų virpesių obertonus. Alfa dalelės, atsirandančios dėl radioaktyvių virsmų, yra teigiamos sferos dalis, išmuštos iš jos dėl kažkokio energetinio atomo plyšimo.
Ryžiai. 4. ATOMAS, pagal Thomsono modelį. Elektronai yra laikomi teigiamai įkrautoje sferoje tamprumo jėgomis. Tie, kurie yra paviršiuje, gali gana lengvai „išmušti“, palikdami jonizuotą atomą.
Tačiau šis modelis sukėlė nemažai prieštaravimų. Vienas iš jų buvo dėl to, kad, kaip atrado emisijos linijas matavę spektroskopuotojai, šių linijų dažniai nėra paprasti žemiausio dažnio kartotiniai, kaip turėtų būti periodinių krūvių svyravimų atveju. Vietoj to, jie susilieja vis dažniau, tarsi siektų ribos. Jau 1885 metais I. Balmeriui (1825–1898) pavyko rasti paprastą empirinę formulę, siejančią linijų dažnius matomoje vandenilio spektro dalyje:
kur n- dažnis, c- šviesos greitis (3x10 8 m/s), n Yra sveikasis skaičius ir R H- kažkoks pastovus veiksnys. Pagal šią formulę šioje vandenilio spektro linijų serijoje neturėtų būti linijų, kurių bangos ilgis l mažesnis nei 364,56 nm (arba aukštesni dažniai), atitinkantys n= Ґ. Taip išėjo, ir tai tapo rimtu prieštaravimu Tomsono atomo modeliui, nors neatitikimą buvo bandoma paaiškinti skirtingų elektronų tamprumo atkūrimo jėgų skirtumu.
Remiantis Thomsono atomo modeliu, taip pat buvo nepaprastai sunku paaiškinti rentgeno ar gama spindulių emisiją atomais.
Tomsono atomo modelio sunkumus lėmė ir požiūris e / mįkrauti iki masės atomams, praradusiems elektronus ("kanalų pluoštus"). Paprasčiausias atomas yra vandenilio atomas, turintis vieną elektroną ir gana masyvią sferą, turinčią vieną teigiamą krūvį. Daug anksčiau, 1815 m., W. Prautas pasiūlė, kad visi sunkesni atomai susideda iš vandenilio atomų, ir būtų suprantama, jei atomo masė didėtų proporcingai elektronų skaičiui. Tačiau matavimai parodė, kad skirtingų elementų krūvio ir masės santykis nėra vienodas. Pavyzdžiui, neono atomo masė yra maždaug 20 kartų didesnė už vandenilio atomo masę, o krūvis yra tik 10 teigiamų krūvių vienetų (neono atomas turi 10 elektronų). Atrodė, kad teigiamas krūvis turėtų kintamą masę arba tikrai buvo 20 elektronų, bet 10 iš jų buvo sferos viduje.
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html
1) Medžiagos gabaliukai.
Demokritas manė, kad tos ar kitos medžiagos savybes lemia forma, masė ir kt., ją sudarančių atomų savybės: ugnies atomai yra aštrūs, todėl ugnis gali degti, kietose medžiagose jie yra grubūs, todėl tvirtai laikosi vienas prie kito, vandenyje yra lygūs, todėl gali tekėti. Net žmogaus siela, pasak Demokrito, susideda iš atomų.
2) „Pudingas su žievele“ (Thomsono modelis).
J.J.Thomsonas pasiūlė atomą laikyti teigiamai įkrautu kūnu, kurio viduje yra elektronų. Šis modelis nepaaiškina serijinio atomo spinduliavimo pobūdžio.
3) Atomas, kaip Saturnas. 1904 metai. Hentara Nagaoka. Mažas teigiamas branduolys, aplink kurį orbitose sukasi elektronai.
4) Atomo planetinis modelis. 1911 metai. Ernestas Rutherfordas, atlikęs daugybę eksperimentų, priėjo prie išvados, kad atomas veikiau yra savotiška planetų sistema, tai yra, elektronai juda aplink teigiamai įkrautą sunkųjį branduolį, esantį atomo centre. Atomų stabilumui paaiškinti Nielsas Bohras turėjo įvesti postulatus, kurie susivedė į tai, kad elektronas atome, būdamas tam tikrose ypatingos energijos būsenose, nespinduliuoja. Bohro postulatai parodė, kad klasikinė mechanika netinka atomo aprašymui.
Rutherfordo patirtis
Ernestas Rutherfordas apie a-dalelių, einančių per plonus medžiagos sluoksnius, sklaidą. Šiuose eksperimentuose siauras spindulys α - radioaktyviosios medžiagos skleidžiamos dalelės buvo nukreiptos ant plonos aukso folijos. Už folijos buvo uždėtas ekranas, galintis švytėti veikiant greitoms dalelėms. Nustatyta, kad dauguma α -dalelės nukrypsta nuo tiesinio sklidimo, praeidamos per foliją, t.y., išsisklaido ir kai kurios α - dalelės paprastai išmetamos atgal. Išsibarstymas α -dalelės Rutherfordas tai paaiškino teigiamas krūvis nėra tolygiai pasiskirstęs 10 -10 m spindulio sferoje, kaip buvo manyta anksčiau, o susitelkęs centrinėje atomo dalyje – atomo branduolyje. Pravažiuojant šalia šerdies α - iš jo atstumiama teigiamą krūvį turinti dalelė, o atsitrenkusi į branduolį metama priešinga kryptimi. Taip elgiasi dalelės, turinčios tą patį krūvį, todėl yra centrinė teigiamai įkrauta atomo dalis, kurioje sutelkta nemaža atomo masė. Skaičiavimai parodė, kad norint paaiškinti eksperimentus, reikia paimti atomo branduolio spindulį, lygų maždaug 10 -15 μ .
Rutherfordo atomo modelis
Atomo sandaros modelio pagal Rutherfordą esmė yra tokia: atomo centre yra teigiamai įkrautas branduolys, kuriame sutelkta visa masė, elektronai sukasi aplink branduolį žiedinėmis orbitomis dideliais atstumais. (kaip planetos aplink Saulę). Branduolinis krūvis sutampa su cheminio elemento skaičiumi periodinėje lentelėje.
Planetinis atomo struktūros modelis pagal Rutherfordą negalėjo paaiškinti daugelio žinomų faktų:
elektronas su krūviu turi kristi į branduolį dėl Kulono traukos jėgų, o atomas yra stabili sistema; judėdamas apskrita orbita, artėdamas prie branduolio, atome esantis elektronas turi skleisti visų įmanomų dažnių elektromagnetines bangas, t.y., skleidžiama šviesa turi turėti ištisinį spektrą, tačiau praktiškai išeina kitaip:
atomų elektronai skleidžia šviesą su linijiniu spektru. Danų fizikas Nielsas Bohras pirmasis bandė išspręsti planetinio branduolinio atomo sandaros modelio prieštaravimus.
Bohro postulatai
Bohras savo teoriją grindė dviem postulatais. Pirmasis postulatas: atominė sistema gali būti tik specialiose stacionariose arba kvantinėse būsenose, kurių kiekviena turi savo energiją; stacionarioje būsenoje atomas nespinduliuoja.
Tai reiškia, kad elektronas (pavyzdžiui, vandenilio atome) gali būti keliose tiksliai apibrėžtose orbitose. Kiekviena elektrono orbita atitinka tiksliai apibrėžtą energiją.
Antrasis postulatas: pereinant iš vienos stacionarios būsenos į kitą, išspinduliuojamas arba sugeriamas elektromagnetinės spinduliuotės kvantas. Fotono energija yra lygi skirtumui tarp dviejų būsenų atomo energijų: hv = E m -Ε n; h= 6,62 10 -34 J s, kur h - Plancko konstanta.
Kai elektronas juda iš artimos orbitos į tolimesnę, atominė sistema sugeria energijos kvantą. Pereidama iš tolimesnės elektrono orbitos į artimą orbitą branduolio atžvilgiu, atominė sistema skleidžia energijos kvantą.
Boro teorija leido paaiškinti linijų spektrų egzistavimą.
Iki XIX amžiaus pabaigos dauguma mokslininkų suprato, kad atomas yra neskaidoma ir nedaloma elemento dalelė – materijos „galinis mazgas“. Taip pat buvo manoma, kad atomai yra nekintantys: tam tikro elemento atomas jokiomis aplinkybėmis negali virsti kito elemento atomu.
XIX amžiaus pabaiga ir XX amžiaus pradžia pasižymi naujais fizikos ir chemijos atradimais, kurie pakeitė požiūrį į atomą kaip nekintamą dalelę, liudijantį sudėtingą atomų sudėtį ir jų tarpusavio virsmo galimybę.
Tai visų pirma apima anglų fiziko Thomsono 1897 m. atradimą elektroną, radioaktyvumo atradimą ir tyrimą XIX amžiaus 90-ųjų pabaigoje. A. Becquerel, Maria and Pierre Curie, E. Rutherford.
Maždaug XX amžiaus pradžioje. ištyrus daugybę reiškinių (kaitinančių kūnų spinduliuotės, fotoelektrinio efekto, atomų spektrų) buvo padaryta išvada, kad energija paskirstoma ir perduodama, sugeriama ir išspinduliuojama ne nuolat, o diskretiškai, atskiromis porcijomis – kvantais. Mikrodalelių sistemos energija taip pat gali įgauti tik tam tikras reikšmes, kurios yra kvantų kartotiniai.
Kvantinės energijos prielaidą pirmasis išreiškė M. Planckas (1900). Kvanto E energija yra proporcinga spinduliavimo dažniui ν:
čia h – Planko konstanta (6,626 10 -34 Js), ν =, s – šviesos greitis, – bangos ilgis.
1905 metais A. Einšteinas numatė, kad bet kokia spinduliuotė yra energijos kvantų, vadinamų fotonais, srautas. Iš Einšteino teorijos išplaukia, kad šviesa turi dvejopą prigimtį.
1911 m. Rutherfordas pasiūlė atomo branduolinį planetinį modelį, sudarytą iš sunkaus branduolio, aplink kurį elektronai juda orbita, kaip ir Saulės sistemos planetos. Tačiau, kaip rodo elektromagnetinio lauko teorija, elektronai šiuo atveju turi judėti spirale, nuolat skleisdami energiją ir kristi į branduolį.
Danų mokslininkas N. Bohras, naudodamasis Rutherfordo modeliu ir Plancko teorija, pasiūlė pirmąjį kvantinį vandenilio atomo sandaros modelį (1913 m.), pagal kurį elektronai aplink branduolį juda ne bet kokiomis, o tik leistinomis orbitomis, kuriose elektronas turi tam tikras energijas. Kai elektronas juda iš vienos orbitos į kitą, atomas sugeria arba išspinduliuoja energiją kvantų pavidalu. Bohro teorija leido apskaičiuoti elektronų energiją, energijos kvantų reikšmes, išsiskiriančias elektronui pereinant iš vieno lygio į kitą. Ji ne tik paaiškino fizinę atominių spektrų prigimtį dėl elektronų perėjimo iš vienos stacionarios orbitos į kitas, bet ir leido pirmą kartą apskaičiuoti spektrus. Boro atliktas paprasčiausio atomo – vandenilio atomo – spektro apskaičiavimas davė puikių rezultatų: apskaičiuota spektro linijų padėtis matomoje spektro dalyje sutapo su faktine jų vieta spektre. Tačiau Bohro teorija negalėjo paaiškinti elektrono elgesio magnetiniame lauke ir visos atomų spektrinės linijos pasirodė netinkamos daugelio elektronų atomams. Iškilo poreikis sukurti naują atominį modelį, pagrįstą atradimais mikropasaulyje.
2.3. Vandenilio atomo kvantinis mechaninis modelis. Pradinės kvantinės mechanikos sampratos
1924 metais. Louis de Broglie (Prancūzija) iškėlė prielaidą, kad elektronui, kaip ir kitoms mikrodalelėms, būdingas bangų ir dalelių dvilypumas. De Broglie pasiūlė lygtį, jungiančią elektrono ar bet kurios kitos dalelės bangos ilgį (λ) su mase (m) ir greičiu (v):
Materijos dalelių de Broglie bangos vadinamos materialiomis bangomis. Jie būdingi visoms dalelėms ar kūnams, tačiau, kaip matyti iš lygties, makrokūnų bangos ilgis yra toks mažas, kad šiuo metu jo neįmanoma aptikti. Taigi kūnui, kurio masė yra 1000 kg, judančiam 108 km / h (30 m / s) greičiu, λ = 2,21 10 -38 m.
De Broglie hipotezė buvo eksperimentiškai patvirtinta atradus elektronų srauto difrakcijos ir trukdžių poveikį. Šiuo metu medžiagų sandarai tirti plačiai naudojama elektronų, neutronų, protonų srautų difrakcija.
1927 metais W. Heisenbergas (Vokietija) postulavo neapibrėžtumo principą, pagal kurį subatominės dalelės (mikrodalelės) padėtis ir impulsas iš esmės bet kuriuo metu negali būti nustatomi absoliučiai tiksliai. Vienu metu galima nustatyti tik vieną iš šių savybių. E. Schrödingeris (Austrija) 1926 metais išvedė matematinį elektrono elgesio atome aprašymą. Jo esmė slypi tame, kad elektronų judėjimas atome aprašomas bangine lygtimi, o elektrono vieta nustatoma pagal tikimybinius principus. Šriodingerio lygtis, kuri yra šiuolaikinės kvantinės-mechaninės atominės sandaros teorijos pagrindas, turi tokią formą (paprasčiausiu atveju):
čia h – Planko konstanta, m – dalelės masė, U – potenciali energija; Е - visuminė energija, x, y, z - koordinatės; ψ yra bangos funkcija.
Norint apibūdinti elektrono būseną, ypač svarbi banginė funkcija ψ. Jo kvadratas, ψ 2, turi tam tikrą fizinę reikšmę. Dydis ψ 2 dv išreiškia tikimybę rasti elektroną erdvės dv tūryje, supančioje atomo branduolį. Šiuo metu lygtis turi tikslų sprendimą tik vandeniliui ir į vandenilį panašioms dalelėms He +, Li 2 +, t.y. vieno elektrono dalelėms. Išspręsti šią lygtį sunku ir nepatenka į šio kurso taikymo sritį.
Plancko, Einšteino, Bohro, de Broglie, Heisenbergo, Schrödingerio darbai padėjo pagrindus kvantinei mechanikai, tiriančiai mikrodalelių judėjimą ir sąveiką. Jis pagrįstas kvantinės energijos samprata, mikrodalelių judėjimo bangine prigimtimi ir tikimybiniu (statistiniu) mikroobjektų apibūdinimo metodu.
Siųsti savo gerą darbą žinių bazėje yra paprasta. Naudokite žemiau esančią formą
Studentai, magistrantai, jaunieji mokslininkai, kurie naudojasi žinių baze savo studijose ir darbe, bus jums labai dėkingi.
Publikuotas http://www.allbest.ru/
FEDERALINĖS VALSTYBĖS BIUDŽETINĖ AUKŠTOJO PROFESINIO MOKYMO INSTITUCIJA
"UFA VALSTYBINIS NAFTOS TECHNINIS UNIVERSITETAS"
Fizikos katedra
ESĖ
Tema abstrakčiai: „Idėjų apie atomo branduolio struktūrą raida“
UŽPILDYTA: ŠV. GR. BTE 13-01 A.A. ABDRAKHMANOVAS
TIKRINO: MOKYTOJAS A. A. E. KURAMSHIN
UFA 2014
Įvadas
Pagrindinė dalis
Bohro postulatai
Atomo branduolio sandara
Rutherfordo eksperimentai
Išvada
Įvadas
Atomai, kurie iš pradžių buvo laikomi nedalomi, yra sudėtingos sistemos. Juose yra didžiulis protonų ir neutronų branduolys, aplink kurį tuščioje erdvėje juda elektronai. Atomai labai smulkūs – jų dydis yra apie 10-10-10-9 m, o branduolio dydis dar apie 100 000 kartų mažesnis (10-15-10-14 m). Todėl atomus galima „pamatyti“ tik netiesiogiai, vaizde su labai dideliu padidinimu (pavyzdžiui, autoelektroninio projektoriaus pagalba). Tačiau net ir šiuo atveju atomai negali būti išsamiai išnagrinėti. Mūsų žinios apie jų vidinę struktūrą yra pagrįstos didžiuliu kiekiu eksperimentinių duomenų, kurie netiesiogiai, bet įtikinamai liudija tai, kas išdėstyta aukščiau.
Atomo sandaros samprata radikaliai pasikeitė XX a. naujų teorinių idėjų ir eksperimentinių duomenų įtakoje. Atomo branduolio vidinės sandaros aprašyme vis dar yra neišspręstų klausimų, kurie yra intensyvaus tyrimo objektas. Tolesniuose skyriuose aprašoma idėjų apie viso atomo sandarą raidos istorija; branduolio sandarai skirtas atskiras straipsnis (ATOMO BRANDUOŽO STRUKTŪRA), kadangi šios sąvokos išsivystė iš esmės nepriklausomai. Energija, reikalinga atomo išoriniams apvalkalams ištirti, yra palyginti maža, šiluminės arba cheminės energijos eilės tvarka. Dėl šios priežasties elektronai buvo eksperimentiškai atrasti dar gerokai prieš branduolio atradimą.
Mažo dydžio branduolys yra labai stipriai surištas, todėl jį sunaikinti ir ištirti galima tik naudojant jėgas, kurios yra milijonus kartų intensyvesnės už jėgas, veikiančias tarp atomų. Sparti pažanga suprasti vidinę branduolio struktūrą prasidėjo tik atsiradus dalelių greitintuvams. Būtent šis didžiulis dydžio ir surišimo energijos skirtumas leidžia vertinti atomo struktūrą kaip visumą atskirai nuo branduolio struktūros.
Norėdami suprasti atomo dydį ir jo užimamą tuščią erdvę, apsvarstykite atomus, kurie sudaro 1 mm skersmens vandens lašą. Jei protiškai padidinsite šį kritimą iki Žemės dydžio, tada į vandens molekulę įtrauktų vandenilio ir deguonies atomų skersmuo bus 1-2 m. Pagrindinė kiekvieno atomo masės dalis yra sutelkta jo šerdyje, kurio skersmuo buvo tik 0,01 mm ...
Pagrindinė dalis
Idėjų apie atomų sandarą raida
Sudėtingos atomo struktūros atradimas yra svarbiausias šiuolaikinės fizikos formavimosi etapas. Kuriant kiekybinę atomo sandaros teoriją, kuri leido paaiškinti atomines sistemas, susiformavo naujos idėjos apie mikrodalelių savybes, kurias aprašo kvantinė mechanika.
Atomų, kaip nedalomų smulkių medžiagų dalelių, samprata, kaip minėta aukščiau, atsirado senovėje (Demokritas, Epikūras, Lukrecijus). Viduramžiais atomų teorija, būdama materialistinė, nesulaukė pripažinimo. Iki XVIII amžiaus pradžios. atomistinė teorija populiarėja. Iki to laiko pasirodė prancūzų chemiko A. Lavoisier (1743-1794), didžiojo rusų mokslininko M.V. Lomonosovas ir anglų chemikas bei fizikas D. Daltonas (1766-1844) įrodė atomų egzistavimo realumą. Tačiau šiuo metu net nekilo klausimas apie atomų vidinę struktūrą, nes atomai buvo laikomi nedalomais.
Išskirtinis rusų chemikas D.I. Mendelejevas, kuris 1869 m. sukūrė periodinę elementų lentelę, kurioje pirmą kartą moksliniu pagrindu buvo iškeltas klausimas apie vienintelę atomų prigimtį. XIX amžiaus antroje pusėje. buvo eksperimentiškai įrodyta, kad elektronas yra viena pagrindinių bet kurios medžiagos dalių. Šios išvados, taip pat daugybė eksperimentinių duomenų lėmė, kad XX a. rimtai iškilo atomo sandaros klausimas.
Reguliarus ryšys tarp visų cheminių elementų, aiškiai išreikštas periodinėje Mendelejevo sistemoje, rodo, kad visų atomų struktūra yra pagrįsta bendra savybe: jie visi yra glaudžiai susiję vienas su kitu.
Tačiau iki XIX amžiaus pabaigos. chemijoje vyravo metafizinis įsitikinimas, kad atomas yra mažiausia paprastos materijos dalelė, paskutinė materijos dalijimosi riba. Visų cheminių transformacijų metu sunaikinamos ir atkuriamos tik molekulės, o atomai išlieka nepakitę ir negali būti skaidomi į mažesnes dalis.
Įvairios prielaidos apie atomo sandarą ilgą laiką nebuvo patvirtintos jokiais eksperimentiniais duomenimis. Tik XIX amžiaus pabaigoje. buvo padaryti atradimai, kurie parodė atomo sandaros sudėtingumą ir galimybę tam tikromis sąlygomis kai kuriuos atomus paversti kitais. Šių atradimų pagrindu ėmė sparčiai vystytis atomo sandaros teorija.
Pirmasis netiesioginis sudėtingos atomų struktūros patvirtinimas buvo gautas tiriant katodinius spindulius, atsirandančius dėl elektros iškrovos labai retintose dujose. Ištyrus šių spindulių savybes, prieita prie išvados, kad tai mažyčių dalelių srautas, turintis neigiamą elektros krūvį ir skrendantis artimu šviesos greičiui. Naudojant specialias technikas buvo galima nustatyti katodo dalelių masę ir jų krūvio dydį, išsiaiškinti, kad jie nepriklauso nuo vamzdyje likusių dujų pobūdžio ar nuo medžiagos, iš kurios pagaminti elektrodai. pagaminti arba kitomis eksperimentinėmis sąlygomis. Be to, katodo dalelės yra žinomos tik įkrautos ir negali būti atimtos iš jų krūvių ir paverčiamos elektra neutraliomis dalelėmis: elektros krūvis yra jų prigimties esmė. Šias daleles, vadinamas elektronais, 1897 metais atrado anglų fizikas J. Thomson.
Atomo sandaros tyrimai praktiškai prasidėjo 1897-1898 m., galutinai nustačius katodinių spindulių, kaip elektronų srauto, prigimtį ir nustačius krūvio dydį bei elektrono masę. Thomsonas pasiūlė pirmąjį atomo modelį, pateikdamas atomą kaip medžiagos luitą su teigiamu elektros krūviu, kuriame yra įsiterpę tiek daug elektronų, o tai paverčia jį elektriškai neutralia esybe. Šiame modelyje buvo daroma prielaida, kad veikiami išorinių poveikių elektronai gali svyruoti, tai yra, judėti pagreitintu greičiu. Atrodytų, kad tai leido atsakyti į klausimus apie medžiagos atomų šviesos ir gama spindulių spinduliavimą radioaktyviųjų medžiagų atomais.
Tomsono atomo modelis nepriėmė teigiamai įkrautų dalelių atomo viduje. Bet kaip tuomet paaiškinti teigiamai įkrautų alfa dalelių išskyrimą radioaktyviosiomis medžiagomis? Tomsono atomo modelis taip pat neatsakė į kai kuriuos kitus klausimus.
1911 metais anglų fizikas E. Rutherfordas, tyrinėdamas alfa dalelių judėjimą dujose ir kitose medžiagose, atrado teigiamai įkrautą atomo dalį. Tolesni išsamesni tyrimai parodė, kad lygiagrečių spindulių pluoštui pereinant per dujų sluoksnius ar ploną metalinę plokštę, išeina nebe lygiagretūs spinduliai, o kažkiek skiriasi: atsiranda alfa dalelių sklaida, ty jų nukrypimas nuo pradinio. kelias. Nukrypimo kampai yra maži, bet visada yra nedaug dalelių (maždaug viena iš kelių tūkstančių), kurios labai stipriai iškrypsta. Kai kurios dalelės metamos atgal, tarsi pakeliui būtų susidurta su neįveikiama kliūtimi. Jie nėra elektronai – jų masė yra daug mažesnė už alfa dalelių masę. Deformacija gali atsirasti susidūrus su teigiamomis dalelėmis, kurių masė yra tokio paties dydžio kaip ir alfa dalelių masė. Remdamasis šiais samprotavimais, Rutherfordas pasiūlė tokią atomo struktūros schemą.
Atomo centre yra teigiamai įkrautas branduolys, aplink kurį skirtingomis orbitomis sukasi elektronai. Išcentrinę jėgą, atsirandančią dėl jų sukimosi, subalansuoja trauka tarp branduolio ir elektronų, dėl to jie lieka tam tikrais atstumais nuo branduolio. Kadangi elektrono masė yra nereikšminga, beveik visa atomo masė yra sutelkta jo branduolyje. Branduolys ir elektronai, kurių skaičius yra palyginti mažas, sudaro tik nedidelę visos atominės sistemos užimamos erdvės dalį.
Rutherfordo pasiūlyta atominės sandaros schema arba, kaip paprastai sakoma, planetinis atomo modelis, nesunkiai paaiškina alfa dalelių deformacijos reiškinius. Išties, branduolio ir elektronų matmenys yra itin maži, lyginant su viso atomo matmenimis, kuriuos lemia toliausiai nuo branduolio esančių elektronų orbitos, todėl dauguma alfa dalelių pro atomus prasiskverbia be pastebimo nukrypimo. Tik tais atvejais, kai alfa dalelė priartėja prie branduolio, elektrinis atstūmimas sukelia staigų jos nukrypimą nuo pradinio kelio. Taigi alfa dalelių sklaidos tyrimas padėjo pagrindą atomo branduolinei teorijai.
Bohro postulatai
Planetinis atomo modelis leido paaiškinti alfa materijos dalelių sklaidos eksperimentų rezultatus, tačiau pagrindžiant atomų stabilumą iškilo esminių sunkumų.
Pirmą kartą kokybiškai naują – kvantinę – atomo teoriją pabandė sukurti Nielsas Bohras 1913 m. Jis užsibrėžė tikslą sujungti empirinius linijinių spektrų dėsnius, Rutherfordo branduolinį atomo modelį ir kvantinį šviesos emisijos bei sugerties pobūdį į vieną visumą. Bohras savo teoriją grindė Rutherfordo branduoliniu modeliu. Jis pasiūlė, kad elektronai judėtų aplink branduolį apskritimo orbitomis. Sukamasis judėjimas, net esant pastoviam greičiui, turi pagreitį. Šis pagreitintas krūvio judėjimas prilygsta kintamajai srovei, kuri erdvėje sukuria kintamąjį elektromagnetinį lauką. Šiam laukui sukurti reikia energijos. Lauko energija gali būti sukurta dėl elektrono Kulono sąveikos su branduoliu energijos. Dėl to elektronas turi judėti spirale ir kristi į branduolį. Tačiau patirtis rodo, kad atomai yra labai stabilūs dariniai. Iš to išplaukia, kad klasikinės elektrodinamikos rezultatai, pagrįsti Maksvelo lygtimis, netaikomi atominiams procesams. Būtina rasti naujų modelių. Bohras savo atomo teoriją grindė šiais postulatais.
Pirmas postulatas Bora (postulatas stacionarus valstijos): v atomas egzistuoja stacionarus (ne besikeičiantis su laikas) valstybės, v kurios jis ne skleidžia energijos. Stacionarus teigia atomas atitikti stacionarus orbitos, įjungta kurios juda elektronų. Judėjimas elektronų įjungta stacionarus orbitos ne lydimas radiacija elektromagnetinis bangos.
Šis postulatas prieštarauja klasikinei teorijai. Nejudančioje atomo būsenoje elektronas, judantis apskrita orbita, turi turėti diskrečiąsias kvantines kampinio impulso reikšmes.
Antra postulatas Bora (taisyklė dažniai): adresu perėjimas elektronas Su vienas stacionarus orbitos ant kitas skleidžiama (susigėręs) vienas fotonas Su energijos
lygus skirtumai energijos atitinkamas stacionarus teigia (En ir Em - atitinkamai energijos stacionarus teigia atomas prieš ir po to spinduliuotė / absorbcija).
Elektrono perėjimas iš stacionarios orbitos, pažymėtos m, į stacionarią orbitą, sunumeruotą n atitinka atomo perėjimą iš būsenos su energija Emį būseną su energija En (1 pav.).
Ryžiai. 1 Prie Boro postulatų paaiškinimo
Kai En> Em, išspinduliuojamas fotonas (atomo perėjimas iš didesnės energijos būsenos į mažesnės energijos būseną, ty elektrono perėjimas iš orbitos, esančios toliau nuo branduolio, į artimesnę), kai 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
kvantinius perėjimus ir nustato atomo linijinį spektrą.
Bohro teorija puikiai paaiškino eksperimentiškai stebimą vandenilio linijos spektrą.
Vandenilio atomo teorijos sėkmė buvo pasiekta atsisakius pagrindinių klasikinės mechanikos nuostatų, kurios neabejotinai galioja daugiau nei 200 metų. Todėl didelę reikšmę turėjo tiesioginis eksperimentinis Boro postulatų pagrįstumo įrodymas, ypač pirmasis – apie stacionarių būsenų egzistavimą. Antrasis postulatas gali būti vertinamas kaip energijos tvermės dėsnio ir fotonų egzistavimo hipotezės pasekmė.
Vokiečių fizikai D. Frankas ir G. Hercas, tyrinėdami elektronų susidūrimą su dujų atomais stabdymo potencialo metodu (1913), eksperimentiškai patvirtino stacionarių būsenų egzistavimą ir atomų energijų diskretiškumą.
Nepaisant neabejotinos Bohro koncepcijos sėkmės vandenilio atomo atžvilgiu, kuriai pasirodė įmanoma sukurti kiekybinę spektro teoriją, nebuvo įmanoma sukurti panašios teorijos apie kitą vandenilio atomą helio pagrindu. Bohro idėjos. Bohro teorija leido padaryti tik kokybines (nors ir labai svarbias) išvadas dėl helio atomo ir sudėtingesnių atomų. Tam tikrų orbitų, kuriomis elektronas juda Boro atome, samprata pasirodė gana savavališka. Tiesą sakant, elektronų judėjimas atome turi mažai ką bendro su planetų judėjimu orbitose.
Šiuo metu naudodamiesi kvantine mechanika galite atsakyti į daugelį klausimų, susijusių su bet kokių elementų atomų struktūra ir savybėmis.
atomo branduolys boras Mendelejevas
Atomo branduolio sandara
Nukleono lygis
Maždaug 20 metų po to, kai Rutherfordas „pamatė“ savo branduolį atomo viduje, buvo atrastas neutronas – dalelė visomis savo savybėmis yra tokia pati kaip vandenilio atomo branduolys – protonas, bet tik be elektros krūvio. Neutronas pasirodė esąs itin patogus zonduojant branduolių vidų. Kadangi jis yra elektriškai neutralus, branduolio elektrinis laukas jo neatstumia – atitinkamai net lėti neutronai gali laisvai priartėti prie branduolio tokiais atstumais, kuriais pradeda reikštis branduolinės jėgos. Po neutrono atradimo mikropasaulio fizika judėjo į priekį šuoliais.
Netrukus po neutrono atradimo du teoriniai fizikai – vokietis Werneris Heisenbergas ir sovietų Dmitrijus Ivanenko – iškėlė hipotezę, kad atomo branduolį sudaro neutronai ir protonai. Šiuolaikinis branduolio sandaros supratimas grindžiamas tuo.
Protonus ir neutronus jungia žodis nukleonas. Protonai – tai elementariosios dalelės, kurios yra lengviausio cheminio elemento – vandenilio – atomų branduoliai. Protonų skaičius branduolyje yra lygus elemento eilės skaičiui periodinėje lentelėje ir žymimas Z (neutronų skaičius – N). Protono teigiamas elektros krūvis absoliučia reikšme yra lygus elementariajam elektros krūviui. Jis yra apie 1836 kartus sunkesnis už elektroną. Protoną sudaro du i-kvarkai, kurių krūvis Q = + 2/3, ir vienas d-kvarkas, kurio Q = -1/3, surišti gliuono lauko. Jis turi baigtinius 10–15 m matmenis, nors ir negali būti pavaizduotas kaip vientisas rutulys, veikiau primena debesį su neryškia riba, susidedantį iš atsirandančių ir naikinančių virtualių dalelių.
Neutrono elektrinis krūvis lygus 0, jo masė apie 940 MeV. Neutroną sudaro vienas u-kvarkas ir du d-kvarkai. Ši dalelė yra stabili tik stabilių atomų branduolių sudėtyje, laisvasis neutronas skyla į elektroną, protoną ir elektroninį antineutriną. Neutrono pusinės eliminacijos laikas (laikas, per kurį suyra pusė pradinio neutronų skaičiaus) yra apie 12 minučių. Medžiagoje laisvoje formoje neutronai egzistuoja dar trumpiau, nes jie stipriai sugeria branduolius. Kaip ir protonas, neutronas dalyvauja visų tipų sąveikose, įskaitant elektromagnetinę: esant bendram neutralumui, dėl sudėtingos vidinės struktūros jame yra elektros srovės.
Branduolys nukleonus suriša ypatingos rūšies jėgos – branduolinės. Vienas iš jiems būdingų bruožų yra trumpojo nuotolio veikimas: 10–15 m ir mažesniais atstumais jie viršija bet kokias kitas jėgas, dėl kurių nukleonai neišsisklaido veikiant elektrostatiniam panašaus krūvio protonų atstūmimui. . Dideliais atstumais branduolinės jėgos labai greitai sumažėja iki nulio.
Branduolinių jėgų veikimo mechanizmas remiasi tuo pačiu principu kaip ir elektromagnetinis – sąveikaujančių objektų pasikeitimu su virtualiomis dalelėmis.
Kvantinėje teorijoje virtualiosios dalelės – tai dalelės, kurių kvantiniai skaičiai (sukimosi, elektros ir bariono krūviai ir kt.) yra tokie patys kaip ir atitinkamos realiosios dalelės, bet kurioms negalioja įprastas energijos, impulso ir masės ryšys.
Rutherfordo eksperimentai
Magnetiniame lauke radioaktyviosios spinduliuotės srautas suskaidomas į 3 komponentus: alfa spindulius, beta spindulius ir gama spindulius.
Radioaktyvumo reiškinys liudijo sudėtingą atomo struktūrą
Rutherfordo alfa sklaidos patirtis
1911 m – E. Rutherfordas nustato alfa dalelių sklaidos eksperimentą. Alfa dalelių spindulys buvo praleistas per ploną aukso foliją.
Auksas pasirinktas kaip labai plastiška medžiaga, iš kurios galima gauti beveik vieno atominio sluoksnio storio foliją.
Kai kurios alfa dalelės prasiskverbė per foliją, sukurdamos neryškumą ekrane, o kitų alfa dalelių pėdsakai buvo užfiksuoti šoniniuose ekranuose.
Patirtis rodo, kad teigiamas atomo krūvis yra sutelktas labai mažame tūryje – branduolyje, o tarp atomų branduolių yra dideli tarpai.
Rutherfordas parodė, kad Thomsono modelis prieštarauja jo eksperimentams.
Išvada
Apibendrinant, prieiname prie išvados, kad Rutherfordo – Bohro sąvoka jau yra daugiau absoliučios tiesos dalelių, nors tolimesnė fizikos raida atskleidė daug šios sąvokos klaidų. Dar daugiau absoliučiai teisingų žinių yra kvantinėje mechaninėje atomo teorijoje.
Sudėtingos atomo struktūros atradimas tapo didžiausiu fizikos įvykiu, nes buvo paneigtos klasikinės fizikos idėjos apie atomus kaip kietus ir nedalomus materijos struktūrinius vienetus.
Naudotų šaltinių sąrašas
1. Fizika visiems / L. Cooperis – „Pasaulis“ 1974 m
2. Fizikai / Chramov Yu.A. - "Mokslas" 1983 m
3. Fizika -9.11 / Peryshkin A.V. - "Bustard" 2004 m.
4.P.S. Kudrjavcevas. „Fizikos istorijos kursas“ Maskva 1982 m.
5. M.P. Bronšteinas. „Atomai ir elektronai“ M. 1980 m.
6. Interneto ištekliai.
7.http://www.rcio.rsu.ru/.
Paskelbta Allbest.ru
...Panašūs dokumentai
Atomizmo idėjų raidos mokslo istorijoje analizė. Elementariųjų dalelių ir fizinio vakuumo vaidmuo atomo struktūroje. Šiuolaikinės atomizmo teorijos esmė. Atomo kvantinio modelio analizė. Pierre'o Gassendi sąvokos „molekulė“ pristatymas. Komptono efekto atradimas.
testas, pridėtas 2013-01-15
Atomo dinaminės sandaros erdvėje sampratos tyrimas. Atomo ir atomo branduolio sandaros tyrimas. Kūnų judėjimo realioje potencialių sferų erdvėje dinamikos aprašymai. Kvantinių dalelių spiralinio judėjimo laisvoje erdvėje analizė.
santrauka pridėta 2013-05-29
Rutherfordo planetinis atomo modelis. Atomo branduolio sudėtis ir charakteristikos. Branduolio masė ir surišimo energija. Nukleonų surišimo energija branduolyje. Įkrautų dalelių sąveika. Didysis hadronų greitintuvas. Elementariųjų dalelių fizikos teorijos nuostatos.
Kursinis darbas pridėtas 2015-04-25
Atradimų istorija atomo branduolio sandaros srityje. Atomo modeliai prieš Borą. Atomo branduolio atradimas. Bora atomas. Branduolio padalijimas. Branduolio protonų-neutronų modelis. Dirbtinis radioaktyvumas. Atomų branduolių sandara ir svarbiausios savybės.
santrauka, pridėta 2003-08-05
Atomo sandaros modeliai. Atominių orbitų formos. Atomo energijos lygiai. Atominė orbita kaip sritis aplink atomo branduolį, kurioje greičiausiai randamas elektronas. Protono, neutrono ir elektrono samprata. Atomo sandaros planetinio modelio esmė.
pristatymas pridėtas 2013-12-09
Atomo dalių: branduolio, protonų, neutronų ir elektronikos sandėliai. Planetinis atomo modelis arba Rutherfordo modelis. Kerovana ir neapkarpyta lantsyug branduolinė reakcija. Branduolinio vibuhu supratimas kaip daug šilumos ir mainų energijos kūrimo procesas.
pristatymas pridėtas 2012-05-21
Sudėtingos atomo struktūros atradimas yra svarbiausias šiuolaikinės fizikos formavimosi etapas. Kuriant kiekybinę atomų sandaros teoriją, paaiškinančią atomines sistemas, susiformavo idėjos apie kvantinės mechanikos aprašytas mikrodalelių savybes.
santrauka, pridėta 2009-05-01
Atomistinės teorijos atsiradimo ir raidos istorija. Platono ir Aristotelio sampratos apie materijos tęstinumą. Korpuskulinė kinetinė šilumos teorija, radioaktyvumo atradimas. Ankstyvasis Nagaokos atomo planetinis modelis. Elektronų krūvio nustatymas.
pristatymas pridėtas 2013-08-28
Idėjų apie atomų sandarą raida Ernesto Rutherfordo ir Nielso Bohro modelių pavyzdžiu. Stacionarios orbitos ir energijos lygiai. Linijinės emisijos ir sugerties spektrų kilmės paaiškinimas. N. Bohro teorijos privalumai ir trūkumai.
santrauka pridėta 2014-11-19
Mokslininkų Thomson, Rutherford, Bohr atomo sandaros tyrimų etapai. Jų eksperimentų schemos ir rezultatų interpretacija. Rutherfordo planetinis atomo modelis. Bohro kvantiniai postulatai. Perėjimo iš stacionarios būsenos į sužadintą būseną ir atvirkščiai schemos.
Sąvoka „atomas“ buvo žinoma senovėje ir buvo naudojama senovės graikų filosofų idėjoms apie supančio pasaulio sandarą apibūdinti, todėl Leukipas (500–200 m. pr. Kr.) teigė, kad pasaulis susideda iš mažiausių dalelių ir tuštumos, o Demokritas. Šios dalelės vadinamos atomais ir manoma, kad jos egzistuoja amžinai ir gali judėti. Remiantis senovės filosofų idėjomis, atomai buvo tokie maži, kad jų nebuvo galima išmatuoti, o forma ir išorinis skirtumas tam tikriems kūnams suteikia savybių. Pavyzdžiui, geležies atomai turi turėti „dantis“, kad galėtų susijungti vienas su kitu ir sudaryti kietą medžiagą, o vandens atomai, priešingai, turi būti lygūs ir riedėti, kad suteiktų vandeniui sklandumo. Pirmąją prielaidą apie atomų gebėjimą savarankiškai sąveikauti vienas su kitu padarė Epikūras.
M.V. Lomonosovas, jis išskyrė du materijos struktūros etapus: elementus (mūsų supratimu, atomus) ir korpusus (molekules). Lomonosovas teigė, kad paprastos medžiagos susideda iš to paties tipo atomų, o sudėtingos - iš skirtingų atomų.
Atominė-molekulinė teorija pasaulinio pripažinimo sulaukė J. Daltono dėka, kuris, skirtingai nei senovės graikų filosofai, formuluodamas savo teiginius rėmėsi tik eksperimentiniais duomenimis. J. Daltonas pristatė vieną iš svarbiausių atomo charakteristikų – atominę masę, kurios santykinės reikšmės buvo nustatytos daugeliui elementų. Tačiau, nepaisant jo atradimų, atomas buvo laikomas nedaloma.
Gavus eksperimentinius įrodymus (XIX a. pabaiga – XX a. pradžia), atomo sandaros sudėtingumas: fotoelektrinio efekto atradimas (elektrinių krūvininkų emisija nuo metalų paviršiaus, kai jie yra apšviesti), katodas (tekėjimas neigiamo krūvio dalelės - elektronai, vamzdyje, kuriame yra katodas ir anodas) ir rentgeno spinduliai (stiprios elektromagnetinės spinduliuotės spinduliavimas medžiagomis, panašiai kaip matoma šviesa, bet didesnio dažnio, kai katodiniai spinduliai veikia šias medžiagas), radioaktyvumas (spontaniškas vieno elemento virsmas kitu, kurio metu vyksta elektronų, teigiamai įkrautų ir kitų dalelių emisija, taip pat rentgeno spinduliuotė) buvo nustatyta, kad atomas susideda iš neigiamai ir teigiamai įkrautų dalelių, kurios sąveikauja su vienas kitą. Šie atradimai davė postūmį sukurti pirmuosius atomo sandaros modelius.
Vieną pirmųjų atomo modelių sukūrė W. Thomson (1902) Pasak W. Thomson, atomas yra teigiamai įkrautos medžiagos krūva, viduje tolygiai pasiskirstę elektronai, o vandenilio atomas yra teigiamai įkrautas rutulys su elektronas viduje (1a pav.). Šį modelį patobulino J. Thomson (1904) (1b pav.). Tais pačiais metais japonų fizikas H. Nagaoka pasiūlė atomo sandaros „Saturno modelį“, darydamas prielaidą, kad atomas panašus į Saturno planetą – centre yra branduolys, apsuptas žiedų, kuriais juda elektronai (pav. 1c).
Dar vieną modelį pasiūlė vokiečių fizikas Philipas von Lenardas, pagal kurį atomas susideda iš itin mažų neutralių dalelių (dėl to didžioji atomo dalis yra tuštuma), kurių kiekviena yra elektrinis dubletas (1d pav.).
Ryžiai. 1. Atomo sandaros modeliai: a - W. Thomson; b - J. Tomsonas; c - H. Nagaoka; ponas F. Lenardas
Po eksperimentų su dalelėmis, 1911 m. Rutherfordas pasiūlė vadinamąjį planetinis modelis atomo sandara, panaši į Saulės sistemos sandarą (atomo centre mažas teigiamai įkrautas branduolys, kuriame telpa beveik visa atomo masė, aplink kurį orbitomis juda elektronai). Planetinis modelis buvo toliau plėtojamas N. Bohro, A. Sommerfeldo ir kitų darbuose.
Šiuolaikinis atomo sandaros modelis paremtas kvantinės mechanikos žiniomis, kurių pagrindinė tezė – mikrodalelės yra banginio pobūdžio, o bangos – dalelių savybės. Kvantinė mechanika svarsto tikimybę rasti elektroną aplink branduolį. Erdvė aplink branduolį, kurioje greičiausiai bus elektronas, vadinama orbitale.
Izotopai
Izotopai yra atomai, turintys tą patį branduolinį krūvį, bet skirtingą masę. Tokie atomai turi praktiškai tą pačią elektronų apvalkalo struktūrą ir priklauso tam pačiam elementui. Natūralių skirtingų elementų junginių tyrimas rodo, kad daugumoje periodinės sistemos elementų yra stabilių izotopų. Visuose periodinės lentelės elementuose natūraliai susidarančių izotopų skaičius siekia 280.
Ryškiausiu izotopijos pavyzdžiu galima vadinti vandenilio – vandenilio, deuterio ir tričio – izotopus. Vandenilis ir deuteris randami gamtoje. Tritis gaunamas dirbtiniu būdu.
Nestabilūs izotopai, t. y. turintys savybę spontaniškai irti, vadinami radioaktyviais izotopais. Jų taip pat galima rasti natūraliuose tam tikrų elementų junginiuose.
Atomo branduolio sudėtis. Branduolinės reakcijos
Atomo branduolyje yra daug elementariųjų dalelių, iš kurių svarbiausios yra protonas (p) ir neutronas (n). Protono masė yra 1,0073 amy, krūvis +1, o neutronas yra elektriškai neutralus (krūvis 0) ir jo masė yra 1,0087 amy.
Pagal branduolio sandaros protonų ir neutronų teoriją (DD Ivanenko, EN Gapon, 1932), visų atomų, išskyrus vandenilį, branduoliai susideda iš Z protonų ir (AZ) neutronų (Z yra elemento eilės skaičius , A yra masės skaičius). Elektronų skaičius lygus protonų skaičiui.
kur N yra neutronų skaičius.
Branduolio savybes lemia jo sudėtis (skaičiai p ir n). Taigi, pavyzdžiui, deguonies atome yra 16 8 O 8 protonų ir 16-8 = 8 neutronai, kurie trumpai parašyta kaip 8p, 8n.
Branduoliuose p ir n gali virsti (tam tikromis sąlygomis) vienas į kitą:
kur e + yra pozitronas (elementarioji dalelė, kurios masė lygi elektrono masei m, o krūvis +1), ir yra neutrinai ir antineutrinai, elementariosios dalelės, kurių masė ir krūvis lygus nuliui, skiriasi tik suktis.
Branduolinės reakcijos - atomų branduolių transformacija, atsirandanti dėl jų sąveikos su elementariosiomis dalelėmis arba tarpusavyje. Rašant branduolinių reakcijų lygtis, būtina atsižvelgti į masės ir krūvio tvermės dėsnius. Pavyzdžiui: 27 13 Al + 4 2 He = 30 14 Si + 1 1 H.
Branduolinių reakcijų ypatybė yra didžiulio energijos kiekio išsiskyrimas susidariusių dalelių ar spinduliuotės kinetinės energijos pavidalu.
Užduotys:
1. Nustatykite protonų, neutronų ir elektronų skaičių S, Se, Al, Ru atomuose.
2. Baigti branduolines reakcijas: 14 7 N + 4 2 He =; 12 6 C + 1 0 n =.
Atsakymai:
1.S: Z = 16, A = 32, todėl 16p, 16e, 32-16 = 16n
Se: Z = 34, A = 79, todėl 34p, 34e, 79-34 = 45n
Al: Z = 13, A = 27, todėl 13p, 13e, 27-13 = 14n
Ru: Z = 44, A = 101, todėl 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
Įkeliama...