Ядерна планетарна модель будови атома визначення. Шкільна енциклопедія

Лекція: Планетарна модельатома

Будова атома

Найбільш точний спосібвизначення структури будь-якої речовини - це спектральний аналіз. Випромінювання кожного атома елемента виключно індивідуальне. Проте, як зрозуміти, як відбувається спектральний аналіз, розберемося, яку структуру має атом будь-якого елемента.

Перше припущення будову атома було представлено Дж. Томсоном. Цей учений довгий часзаймався вивченням атомів. Більше того, саме йому належить відкриття електрона – за що він і отримав Нобелівську премію. Модель, що запропонував Томсон, не мала нічого спільного з дійсністю, проте стала досить сильним стимулом у вивченні будови атома Резерфордом. Модель, запропонована Томсоном, називалася "пудингом із ізюмом".

Томсон вважав, що атом є суцільною кулею, що має негативний електричний заряд. Для його компенсації в кулю вкраплені електрони, як родзинки. У сумі заряд електронів збігається із зарядом всього ядра, що робить атом нейтральним.

Під час вивчення будови атома з'ясували, що всі атоми в твердих тілахроблять коливальні рухи. А, як відомо, будь-яка частинка, що рухається, випромінює хвилі. Саме тому кожен атом має власний спектр. Але ці твердження не вкладалися в модель Томсона.

Досвід Резерфорда

Щоб підтвердити чи спростувати модель Томсона, Резерфордом було запропоновано досвід, у результаті якого відбувалося бомбардування атома деякого елемента альфа-частинками. В результаті даного експериментубуло важливо побачити, як поводитиметься частка.

Альфа частинки були відкриті внаслідок радіоактивного розпаду радію. Їхні потоки являли собою альфа-промені, кожна частка яких мала позитивний заряд. В результаті численних досліджень було визначено, що альфа-частка схожа на атом гелію, в якому відсутні електрони. Використовуючи нинішні знання, ми знаємо, що альфа частка - це ядро ​​гелію, тоді Резерфорд вважав, що це були іони гелію.

Кожна альфа-частка мала величезну енергію, внаслідок чого вона могла летіти на аналізовані атоми з високою швидкістю. Тому основним результатом експерименту було визначення кута відхилення частки.

Для проведення досвіду Резерфорд використав тонку фольгу із золота. На неї він спрямовував високошвидкісні альфа-частинки. Він припускав, що в результаті цього експерименту всі частинки пролітатимуть крізь фольгу, причому з невеликими відхиленнями. Однак, щоб з'ясувати це, напевно, він доручив своїм учням перевірити, чи немає великих відхилень у цих частинок.

Результат експерименту здивував всіх, адже дуже багато частинок не просто відхилилися на достатньо великий кут- Деякі кути відхилення досягали більше 90 градусів.

Ці результати здивували всіх, Резерфорд говорив, що таке відчуття, що на шляху снарядів був поставлений аркуш паперу, який не дав альфа-частинці проникнути всередину, в результаті чого, вона повернулася назад.

Якби атом справді був суцільним, то він повинен мати деяке електричне поле, яке загальмовувало частинку. Однак, сила поля була недостатньою, щоб зупинити її повністю, а тим більше відкинути назад. А це означає, що модель Томсона була спростована. Тож Резерфорд почав працювати над новою моделлю.

Щоб одержати такий результат експерименту, необхідно зосередити позитивний заряд у меншому розмірі, внаслідок чого вийде більше електричне поле. За формулою потенціалу поля можна визначити необхідний розмір позитивної частки, яка змогла б відштовхнути альфа-частку протилежному напрямку. Радіус її має бути максимум. 10 -15 м. Саме тому Резерфорд запропонував планетарну модель атома.

Ця модель названа так неспроста. Справа в тому, що всередині атома є позитивно заряджене ядро, подібне до Сонця в Сонячній системі. Навколо ядра, як планети обертаються електрони. сонячна системавлаштована таким чином, що планети притягуються до Сонця за допомогою гравітаційних силПроте вони не падають на поверхню Сонця в результаті наявної швидкості, яка тримає їх на своїй орбіті. Те саме відбувається і з електронами – кулонівські сили притягують електрони до ядра, але за рахунок обертання вони не падають на поверхню ядра.

Одне припущення Томсона виявилося абсолютно вірним - сумарний заряд електронів відповідає заряду ядра. Однак в результаті сильної взаємодії електрони можуть бути вибиті зі своєї орбіти, внаслідок чого заряд не компенсується і атом перетворюється на позитивно заряджений іон.

Дуже важливої ​​інформаціїщодо будови атома є те, що практично вся маса атома зосереджена в ядрі. Наприклад, атом водню має всього один електрон, чия маса більш, ніж у півтори тисячі разів менша, ніж маса ядра.

Перша модель будови атома була запропонована Дж. Томсоном у 1904 р., згідно з якою атом – позитивно заряджена сфера з вкрапленими в неї електронами. Незважаючи на свою недосконалість, томсонівська модель дозволяла пояснити явища випромінювання, поглинання та розсіювання світла атомами, а також встановити число електронів в атомах легких елементів.

Мал. 1. Атом, згідно з моделлю Томсона. Електрони утримуються всередині позитивно зарядженої сфери пружними силами. Ті з них, які знаходяться на поверхні, можуть легко вибиватися, залишаючи іонізований атом.

1. 2.2 Модель Резерфорда

Модель Томсона була спростована Е. Резерфордом (1911), який довів, що позитивний заряд і практично вся маса атома сконцентровані в малій частині його обсягу - ядрі, навколо якого рухаються електрони (рис. 2).

Мал. 2. Ця модель будови атома відома як планетарна, тому що електрони обертаються навколо ядра подібно до планет сонячної системи.

Відповідно до законів класичної електродинаміки, рух електрона по колу навколо ядра буде стійким, якщо сила кулонівського тяжіння дорівнюватиме відцентровій силі. Однак, відповідно до теорії електромагнітного поля, електрони в цьому випадку повинні рухатися по спіралі, безперервно випромінюючи енергію, і падати на ядро. Проте атом стійкий.

До того ж при безперервному випромінюванні енергії у атома повинен спостерігатися безперервний, суцільний спектр. Насправді спектр атома складається з окремих ліній та серій.

Таким чином, дана модель суперечить законам електродинаміки та не пояснює лінійного характеру атомного спектру.

2.3. Модель Бору

У 1913 р. М. Бор запропонував свою теорію будови атома, не заперечуючи у своїй повністю попередні уявлення. В основу своєї теорії Бор поклав два постулати.

Перший постулат свідчить, що електрон може обертатися навколо ядра лише з певним стаціонарним орбітам. Перебуваючи ними, не випромінює і поглинає енергію (рис.3).

Мал. 3. Модель будови атома Бора. Зміна стану атома під час переходу електрона з однієї орбіти в іншу.

При русі будь-якою стаціонарної орбіті запас енергії електрона (Е 1, Е 2 …) залишається постійним. Чим ближче до ядра розташована орбіта, тим менший запас енергії електрона Е 1 Е 2 … Е n . Енергія електрона на орбітах визначається рівнянням:

де m – маса електрона, h – постійна Планка, n - 1, 2, 3 ... (n = 1 для 1-ої орбіти, n = 2 для 2-ої і т.д.).

Другий постулат свідчить, що з переході з однієї орбіти в іншу електрон поглинає чи виділяє квант (порцію) енергії.

Якщо атоми впливають (нагрівання, опромінення та ін.), то електрон може поглинути квант енергії і перейти на більш віддалену від ядра орбіту (рис. 3). В цьому випадку говорять про збуджений стан атома. При зворотному переході електрона (на найближчу до ядра орбіту) енергія виділяється як кванта променистої енергії – фотона. У діапазоні це фіксується певною лінією. На підставі формули

,

де λ – довжина хвилі, n = квантові числа, Що характеризують ближню і далеку орбіти, Бор розрахував довжини хвиль всім серій у спектрі атома водню. Отримані результати відповідали експериментальним даним. Стало ясним походження уривчастих лінійних спектрів. Вони – результат випромінювання енергії атомами під час переходу електронів зі збудженого стану стаціонарне. Переходи електронів на 1-у орбіту утворюють групу частот серії Лаймана, на 2-у – серію Бальмера, на 3-ю серію Пашена (рис. 4, табл. 1).

Мал. 4. Відповідність між електронними переходами та спектральними лініями атома водню.

Таблиця 1

Перевірка формули Бору для серій водневого спектру

Проте теорія Бора не змогла пояснити розщеплення ліній у спектрах багатоелектронних атомів. Бор виходив речей, що електрон – це частка, і використовував для опису електрона закони, характерні частинок. Водночас накопичувалися факти, що свідчать про те, що електрон здатний виявляти і хвильові властивості. Класична механіка виявилася неспроможною пояснити рух мікрооб'єктів, що мають одночасно властивості матеріальних частинок і властивості хвилі. Це завдання дозволила вирішити квантова механіка. фізична теорія, що досліджує загальні закономірності руху та взаємодії мікрочастинок, що володіють дуже малою масою (табл. 2).

Таблиця 2

Властивості елементарних частинок, що утворюють атом

Уявлення про те, що атоми є найдрібнішими частинкамиречовини, що вперше виникло в часи Стародавню Грецію. Однак тільки в кінці XVIIIстоліття завдяки роботі таких учених, як А. Лавуазьє, М. В. Ломоносов та деяких інших, було доведено, що атоми справді існують. Однак у ті часи ніхто не ставив питання про те, якою є їхня внутрішня будова. Вчені все ще розцінювали атоми як неподільні "цеглини", з яких складається вся матерія.

Спроби пояснити будову атома

Хто запропонував ядерну модель першим із усіх учених? Перша спроба створити модель цих частинок належала Дж. Томсон. Проте вдалою у сенсі цього терміну назвати її не можна. Адже Томсон вважав, що атом є кулястою і електрично нейтральною системою. При цьому вчений припускав, що позитивний заряд розподілений рівномірно за обсягом цієї кулі, а всередині знаходиться негативно заряджене ядро. Усі спроби вченого пояснити внутрішню будову атома виявилися невдалими. Ернест Резерфорд – той, хто запропонував ядерну модель будови атома через кілька років після того, як Томсон висунув свою теорію.

Історія досліджень

За допомогою дослідження електролізу в 1833 Фарадею вдалося встановити, що струм в розчині електролітів являє собою потік заряджених частинок, або іонів. На підставі цих досліджень він зміг визначити мінімальний заряді вона. Також важливу роль у розвитку даного напрямуу фізиці зіграв вітчизняний хімік Д. І. Менделєєв. Саме він вперше поставив у наукових колахпитання, що це атоми можуть мати однакову природу. Ми бачимо, що до того, як вперше було запропоновано ядерну модель будови атома Резерфорда, різними вченими було проведено велика кількістьщонайменше важливих експериментів. Вони просунули атомістичну теорію будови речовини вперед.

Перші досліди

Резерфорд є справді геніальним ученим, адже його відкриття перевернули уявлення про будову речовини. У 1911 році він зміг поставити експеримент, за допомогою якого дослідники змогли зазирнути в загадкові глибини атома, отримати уявлення про те, якою є його внутрішня будова. Перші досліди були проведені вченим за підтримки інших дослідників, проте Головна рольу відкритті належала все-таки Резерфорду.

Експеримент

Використовуючи природні джереларадіоактивного випромінювання Резерфорд зміг побудувати гармату, яка випускала потік альфа-часток. Це був ящик, зроблений зі свинцю, всередині якого було радіоактивна речовина. У гарматі був проріз, завдяки якому всі альфа-частинки потрапляли на свинцевий екран. Вилітати вони могли лише через проріз. На шляху цього пучка з радіоактивних частинокстояло ще кілька екранів.

Вони відокремлювали частинки, які відхилялися від заданого напряму. В якості мішені Резерфорд використовував тонкий лист із золотої фольги. Після того, як частинки потрапляли на цей лист, вони продовжували свій рух і зрештою потрапляли на люмінесцентний екран, який був встановлений позаду цієї мішені. При попаданні альфа-частинок на цей екран реєструвалися спалахи, якими вчений міг судити, скільки частинок відхиляються від початкового напрямку при зіткненні з фольгою і яка величина цього відхилення.

Відмінності від попередніх дослідів

Школярі та студенти, які цікавляться тим, хто запропонував ядерну модель будови атома, повинні знати: подібні експерименти проводились у фізиці і до Резерфорда. Їх Головна думкаполягала в тому, щоб за відхиленнями частинок від початкової траєкторії зібрати якнайбільше інформації про будову атома. Всі ці дослідження призвели до накопичення певного обсягу інформації в науці, провокували на роздуми про внутрішній будовінайдрібніших частинок.

Вже на початку XX століття вченим було відомо, що в атомі містяться електрони, що мають негативний заряд. Але серед більшості дослідників переважала думка, що атом зсередини більше нагадує сітку, заповнену негативно зарядженими частинками. Подібні досліди дозволили отримати чимало інформації – наприклад, визначити геометричні розміри атомів.

Геніальний здогад

Резерфорд звернув увагу, що ніхто з його попередників жодного разу не намагався визначити, чи можуть альфа-частинки відхилятися під великими кутами від своєї траєкторії. Колишня модель, іноді звана серед вчених «пудинг з родзинками» (оскільки згідно з цією моделлю електрони в атомі розподілені подібно до родзинок у пудингу), просто не допускала існування всередині атома щільних компонентів структури. Ніхто з учених і не переймався тим, щоб розглянути і такий варіант. Дослідник попросив свого студента переобладнати установку таким чином, щоб фіксувалися й великі відхилення частинок від траєкторії лише для того, щоб виключити таку можливість. Яким же було здивування і вченого, і його студента, коли виявилося, що деякі частки розлітаються під кутом 180 о.

Що всередині атома?

Ми дізналися, хто запропонував ядерну модель будови атома і в чому полягав досвід цього вченого. На той момент експеримент Резерфорда був справжнім проривом. Він був змушений зробити висновок, що всередині атома більша частинамаси укладена у дуже щільній речовині. Схема ядерної моделі будови атома дуже проста: всередині знаходиться позитивно заряджене ядро.

Інші частки, які називаються електронами, обертаються навколо цього ядра. Решта ж частина є на кілька порядків менш щільною. Розташування електронів усередині атома перестав бути хаотичним - частки розташовуються порядку зростання енергії. Внутрішні частини атомів дослідник назвав ядрами. Назви, які запровадив вчений, використовуються в науці досі.

Як підготуватись до уроку?

Ті школярі, які цікавляться тим, хто припустив ядерну модель будови атома, можуть виявитися на уроці додатковими знаннями. Наприклад, можна розповісти про те, як Резерфорд, вже після довгого часу після своїх експериментів, любив наводити для свого відкриття аналогію. У південноафриканську країну доставляється контрабанда зі зброєю для повстанців, яка міститься в тюках бавовни. Як митникам визначити, де конкретно знаходяться небезпечні запаси, якщо весь поїзд забитий цими пакунами? Митник може почати стріляти по пакунках, і там, де кулі рикошетуватимуть, і знаходиться зброя. Резерфорд наголошував, що саме так і було зроблено його відкриття.

Школярам, ​​які готуються до відповіді з цієї теми під час уроку, бажано підготувати відповіді такі вопросы:

1. Хто запропонував ядерну модель будови атома?

2. У чому полягав сенс експерименту?

3. Відмінність ядерної моделі з інших моделей.

Значення теорії Резерфорда

Ті радикальні висновки, які Резерфорд зробив зі своїх експериментів, змушували багатьох його сучасників сумніватися у істинності цієї моделі. Навіть сам Резерфорд не був винятком – він опублікував результати своїх досліджень лише за два роки після відкриття. Взявши за основу класичні уявлення про те, як рухаються мікрочастинки, він запропонував ядерну планетарну модель будови атома. В цілому атом має нейтральний заряд. Навколо ядра рухаються електрони - подібно до того, як навколо Сонця обертаються планети. Цей рух відбувається за рахунок кулонівських сил. У теперішній моментмодель Резерфорда зазнала значного доопрацювання, проте відкриття вченого не втрачає своєї актуальності і сьогодні.

Перші відомості про складне будова атомабули отримані щодо процесів проходження електричного струмучерез рідину. У тридцятих роках XIXв. Досліди видатного фізика М. Фарадея навели на думку про те, що електрика існує у вигляді окремих поодиноких зарядів.

Відкриття мимовільного розпаду атомів деяких елементів, назване радіоактивністю стало прямим доказом складності будови атома. У 1902 році англійські вчені Ернест Резерфорд і Фредерік Содді довели, що при радіоактивному розпадіатом урану перетворюється на два атоми – атом торію та атом гелію. Це означало, що атоми є незмінними, неруйнівними частинками.

Модель атома Резерфорду

Досліджуючи проходження вузького пучка альфа-частинок через тонкі шари речовини, Резерфорд виявив, що більшість альфа-частинок проходить крізь металеву фольгу, що складається з безлічі тисяч шарів атомів, не відхиляючись від початкового напрямку, не відчуваючи розсіювання, начебто на них жодних перешкод. Однак деякі частинки відхилялися на великі кути, зазнавши дії великих сил.

На підставі результатів дослідів щодо спостереження розсіювання альфа-часток у речовині Резерфорд запропонував планетарну модель будови атома.Відповідно до цієї моделі будова атома подібна до будови сонячної системи.У центрі кожного атома є позитивно заряджене ядрорадіусом ≈ 10 -10 м подібно до планет звертаються. негативно заряджені електрониМайже вся маса зосереджена атомному ядрі. Альфа-частинки можуть без розсіювання проходити через тисячі шарів атомів так, як більшість простору всередині атомів порожня, а зіткнення з легкими електронами майже не впливають на рух важкої альфа-частинки. Розсіювання альфа-часток відбувається при зіткненнях із атомними ядрами.

Модель атома Резерфорда не змогла пояснити всі властивості атомів.

Відповідно до законів класичної фізикиатом із позитивно зарядженого ядра та електронів, що обертаються по кругових орбітах, повинен випромінювати електромагнітні хвилі. Випромінювання електромагнітних хвиль повинно призводити до зменшення запасу потенційної енергіїв системі ядро ​​– електрон, до поступового зменшення радіуса орбіти електрона та падіння електрона на ядро. Однак атоми зазвичай не випромінюють електромагнітні хвилі, електрони не падають на атомні ядра, тобто стійкі атоми.

Квантові постулати Н. Бора

Для пояснення стійкості атомів Нільс Борзапропонував відмовитися від звичних класичних уявлень та законів при поясненні властивостей атомів.

Основні властивості атомів отримують послідовне якісне пояснення на основі прийняття квантових постулатів Н. Бора.

1. Електрон обертається навколо ядра лише за строго певним (стаціонарним) круговим орбітам.

2. Атомна система може бути лише у певних стаціонарних чи квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія Е. Атом не випромінює енергію в стаціонарних станах.

Стаціонарний стан атомаз мінімальним запасом енергії називається основним станом, всі інші стани називаються збудженими (квантовими) станами.В основному стан атом може знаходитися нескінченно довго, час життя атома в збудженому стані триває 10 -9 -10 -7 секунд.

3. Випромінювання або поглинання енергії відбувається тільки при переході атома з одного стаціонарного станув інше. Енергія кванта електромагнітного випромінюванняпри переході зі стаціонарного стану з енергією Е mу стан з енергією Е nдорівнює різниці енергій атома у двох квантових станах:

∆Е = Е m – Е n = hv,

де v- Частота випромінювання, h= 2ph = 6,62 ∙ 10 -34 Дж ∙с.

Квантова модель будови атома

Надалі деякі положення теорії М. Бора були доповнені та переосмислені. Найбільш значною зміною стало введення поняття про електронну хмару, яке змінило поняття про електрон тільки як частинку. Пізніше теорію Бора змінила квантова теоріящо враховує хвилеві властивості електрона та інших елементарних частинок, що утворюють атом.

Основою сучасної теоріїбудови атомає планетарна модель, доповнена та вдосконалена. Згідно з цією теорією, ядро ​​атома складається з протонів (позитивно заряджених частинок) і нейронів (що не мають заряду частинок). А навколо ядра невизначеними траєкторіями рухаються електрони (негативно заряджені частинки).

Залишились питання? Бажаєте знати більше про моделі будови атома?
Щоб отримати допомогу репетитора – зареєструйтесь.
Перший урок – безкоштовно!

сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Маса електронів у кілька тисяч разів менша за масу атомів. Оскільки атом загалом нейтральний, то, отже, переважна більшість атома посідає його позитивно заряджену частина.

Для експериментального дослідження розподілу позитивного заряду, отже, і маси всередині атома Резерфорд запропонував 1906 р. застосувати зондування атома з допомогою α -Частинок. Ці частинки виникають при розпаді радію та деяких інших елементів. Їх маса приблизно 8000 раз більше масиелектрона, а позитивний заряд дорівнює модулю подвоєного заряду електрона. Це ніщо інше, як повністю іонізовані атоми гелію. Швидкість α -Частинок дуже велика: вона становить 1/15 швидкості світла.

Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів. Електрони внаслідок своєї малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α -частки, подібно до того як камінчик у кілька десятків грамів при зіткненні з автомобілем не в змозі помітно змінити його швидкість. Розсіювання (зміна напряму руху) α -Частинок може викликати тільки позитивно заряджена частина атома. Таким чином, за розсіювання α -Частинок можна визначити характер розподілу позитивного заряду і маси всередині атома.

Радіоактивний препарат, наприклад радій, поміщався всередині свинцевого циліндра 1, уздовж якого висвердлили вузький канал. Пучок α -Частинок з каналу падав на тонку фольгу 2 з досліджуваного матеріалу (золото, мідь тощо). Після розсіювання α -частки потрапляли на напівпрозорий екран 3, покритий сульфідом цинку. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалося спалахом світла (сцинтиляцією), який можна було спостерігати в мікроскоп 4. Весь прилад розміщувався в посудині, з якої було відкачано повітря.

При хорошому вакуумі всередині приладу без фольги на екрані виникав світлий кружок, що складається з сцинтиляцій, викликаних тонким пучком α -Частинок. Але коли на шляху пучка поміщали фольгу, α -Частки через розсіювання розподілялися на екрані по кружку більшої площі. Модифікуючи експериментальну установку, Резерфорд спробував виявити відхилення α -Частинок на великі кути. Цілком несподівано виявилося, що невелика кількість α -Частинок (приблизно одна з двох тисяч) відхилилося на кути, великі 90 °. Пізніше Резерфорд зізнався, що, запропонувавши своїм учням експеримент зі спостереження розсіювання α -Частинок на великі кути, він сам не вірив у позитивний результат. "Це майже так само неймовірно, - говорив Резерфорд, - якби ви вистрілили 15-дюймовим снарядом у шматок тонкого паперу, а снаряд повернувся б до вас і завдав вам удару". Насправді, передбачати цей результат на основі моделі Томсона не можна було. При розподілі по всьому атому позитивний заряд не може створити достатньо інтенсивне електричне поле, здатне відкинути а-частку назад. Максимальна силавідштовхування визначається згідно із законом Кулона:

де q α – заряд α -частки; q – позитивний заряд атома; r – його радіус; k – коефіцієнт пропорційності. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої кулі максимальна на поверхні кулі і зменшується до нуля в міру наближення до центру. Тому чим менше радіус r, тим більше сила, що відштовхує α -частки.

Визначення розмірів атомного ядра. Резерфорд зрозумів, що α -Частина могла бути відкинута назад лише в тому випадку, якщо позитивний заряд атома і його маса сконцентровані в дуже малій області простору. Так Резерфорд дійшов ідеї атомного ядра - тіла малих розмірів, у якому сконцентровано майже всю масу і весь позитивний заряд атома.

Планетарна модель атома, або модель Резерфорда, - Історична модель будови атома, яку запропонував Ернест Резерфорд в результаті експерименту з розсіюванням альфа-частинок. За цією моделлю атом складається з невеликого позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома, навколо якого рухаються електрони, - подібно до того, як планети рухаються навколо Сонця. Планетарна модель атома відповідає сучасним уявленням про будову атома з урахуванням те, що рух електронів має квантовий характері і не описується законами класичної механіки. Історично планетарна модель Резерфорда прийшла на зміну "моделі сливового пудингу" Джозефа Джона Томсона, яка постулює, що негативно заряджені електрони поміщені всередину позитивно зарядженого атома.