Първият опит за създаване на модел на атома е направен от Дж. Томпсън. Той вярвал, че атомът е електрически неутрална сферична система с радиус 10 – 10 м. Фигура 6. един . един . показва как положителният заряд на атома е равномерно разпределен, като вътре в него са разположени отрицателни електрони. За да получи обяснение на линейните спектри на атомите, Томпсън напразно се опитва да определи местоположението на електроните в атома, да изчисли честотата на техните трептения в равновесното положение. След известно време Е. Ръдърфорд доказа, че моделът, зададен от Томсън, е неправилен.

Фигура 6. един . един . Модел на Дж. Томпсън.

Вътрешната структура на атомите е изследвана от Е. Ресарфорд, Е. Марсдън, Х. Гайгер още през 1909 - 1911г. Използвано е сондирането на атома от α-частици, които възникват при радиоактивния разпад на радий и други елементи. Масата им е 7300 пъти по-голяма от масата на електрона, а положителният им заряд е равен на два пъти елементарния заряд.

Експериментите на Ръдърфорд използват α-частици, имащи кинетична енергия 5 M e v.

Определение 1

алфа частициса йонизирани хелиеви атоми.

Когато явлението радиоактивност беше изследвано, Ръдърфорд вече беше „бомбардирал“ атомите на тежки метали с тези частици. Влизащите в тях електрони не могат да заменят траекториите на α-частиците, тъй като имат малко тегло. Разсейването може да бъде причинено от тежката положително заредена част на атома. Фигура 6. един . 2 описва в детайли опита на Ръдърфорд.

Фигура 6. един . 2. Диаграма на експеримента на Ръдърфорд върху разсейването на α-частици. K - оловен контейнер с радиоактивен материал, E - екран, покрит с цинков сулфид, F - златно фолио, M - микроскоп.

Радиоактивен източник, затворен в оловен контейнер, е разположен по такъв начин, че
α -частиците се насочват от него към тънко метално фолио. Разпръснатите частици удрят екрана със слой от кристали от цинков сулфид, светещи от удара им. Сцинтилации (светкавици) могат да се наблюдават с микроскоп. Ъгълът φ спрямо първоначалната посока на лъча няма ограничения за този експеримент.

След тестване се установи, че α -частиците, преминаващи през тънък слой метал, не изпитват отклонения. Техните отклонения се наблюдават и при ъгли над 30 градуса и близки до 180.

Резултатът на Ръдърфорд противоречи на модела на Томпсън, тъй като положителният заряд не беше разпределен в целия обем на атома. Според модела на Томпсън зарядът няма способността да създава силно електрическо поле, което впоследствие ще отхвърли α -частици. Такова поле на равномерно заредена топка е максимално на повърхността й и намалява до нула към центъра.

Определение 2

С намаляване на радиуса на топка с положителен атомен заряд, максималната сила на отблъскване, действаща върху α -частици, според закона на Кулон ще се увеличи с n 2 пъти.

Ако размерите α - частиците са достатъчно големи, тогава разсейването може да достигне ъгъл от 180 градуса.

Определение 3

Ръдърфорд стига до извода, че празнотата на атома е свързана с наличието на положителен заряд, концентриран в малък обем. Тази част беше наречена атомно ядро.

Фигура 6. един . 3 . Разсейване на α-частица в атом на Томсън (а) и в атом на Ръдърфорд (б) .

Ръдърфорд установи, че центърът на атома има положително заредено ядро ​​с диаметър 10 - 14 - 10 - 15 м. То заема 10 - 12 от общия обем на атома, но съдържа целия положителен заряд и около 99,95% от неговата маса. Веществото, включено в състава на атома, приема наличието на плътност p ≈ 10 15 g/s m 3, а зарядът на ядрото е равен на общия заряд на електроните. Установено е, че при приемане на стойността на заряда на електрона за 1, зарядът на ядрото е равен на числото от периодичната таблица.

Експериментите на Ръдърфорд доведоха до радикални заключения и съмнения на учените. Използвайки класическата идея за движението на микрочастиците, той предлага планетарен модел на атома. Значението му беше, че центърът на атома се състои от положително заредено ядро, което е основната част от масата на елементарна частица. Атомът се счита за неутрален. В присъствието на кулонови сили, електроните се въртят в орбити около ядрото, както е показано на фигура 6. един . 4 . Електроните винаги са в състояние на движение.

Фигура 6. един . 4 . Планетарният модел на Ръдърфорд на атома. Показани са кръговите орбити на четири електрона.

Планетарният модел, предложен от Ръдърфорд, е тласък в развитието на знанията за структурата на атома. Благодарение на нея, експерименти върху дисперсията α -частиците успяха да обяснят. Но въпросът за неговата стабилност остава открит. Въз основа на закона на класическата електродинамика, ускоряващият се заряд излъчва електромагнитни вълни, които поглъщат и разпределят енергия. За време от 10 - 8 s всички електрони изразходват цялата енергия, в резултат на което попадат върху ядрото. Тъй като това не се случва, има обяснение – вътрешните процеси не се извършват по класическите закони.

Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter

Първа информация за комплекса структурата на атомаса получени при изследване на процесите на преминаване електрически токчрез течности. През тридесетте години на XIX век. Експериментите на изключителния физик М. Фарадей предполагат, че електричеството съществува под формата на отделни единични заряди.

Откриването на спонтанния разпад на атомите на някои елементи, наречено радиоактивност, беше пряко доказателство за сложността на структурата на атома. През 1902 г. английските учени Ърнест Ръдърфорд и Фредерик Соди доказаха, че по време на радиоактивен разпад урановият атом се превръща в два атома – атом на торий и атом на хелий. Това означаваше, че атомите не са неизменни, неразрушими частици.

Ръдърфордов модел на атома

Изследвайки преминаването на тесен сноп от алфа частици през тънки слоеве материя, Ръдърфорд открива, че повечето алфа частици преминават през метално фолио, състоящо се от много хиляди слоеве от атоми, без да се отклоняват от първоначалната посока, без да изпитват разсейване, сякаш има няма препятствия по пътя им, няма препятствия. Някои частици обаче са се отклонили под големи ъгли, след като са изпитали действието на големи сили.

Въз основа на резултатите от експерименти за наблюдение на разсейването на алфа частици в материята Ръдърфорд предложи планетарен модел на структурата на атома.Според този модел структурата на атома е подобна на структурата на Слънчевата система.В центъра на всеки атом е положително заредено ядрос радиус ≈ 10 -10 m, подобно на планетите, те циркулират отрицателно заредени електрони.Почти цялата маса е концентрирана в атомното ядро. Алфа-частиците могат да преминават през хиляди слоеве от атоми, без да се разсейват, тъй като по-голямата част от пространството вътре в атомите е празно, а сблъсъците с леки електрони почти не оказват влияние върху движението на тежка алфа-частица. Разсейването на алфа-частиците се случва при сблъсъци с атомни ядра.

Моделът на Ръдърфорд за атома не успя да обясни всички свойства на атомите.

Според законите на класическата физика, атом, състоящ се от положително заредено ядро ​​и електрони в кръгови орбити, трябва да излъчва електромагнитни вълни. Излъчването на електромагнитни вълни трябва да доведе до намаляване на потенциалната енергия в системата ядро-електрон, до постепенно намаляване на радиуса на електронната орбита и падане на електрона върху ядрото. Но атомите обикновено не излъчват електромагнитни вълни, електроните не падат върху атомните ядра, тоест атомите са стабилни.

Квантови постулати на Н. Бор

Да обясни стабилността на атомите Нилс Борпредложи да се изоставят обичайните класически идеи и закони, когато се обясняват свойствата на атомите.

Основните свойства на атомите получават последователно качествено обяснение въз основа на приемането квантови постулати на Н. Бор.

1. Електронът се върти около ядрото само по строго определени (стационарни) кръгови орбити.

2. Една атомна система може да бъде само в определени стационарни или квантови състояния, всяко от които съответства на определена енергия Е. Атомът не излъчва енергия в стационарни състояния.

Стационарно състояние на атомас минимално количество енергия се нарича основно състояние, всички останали състояния се наричат възбудени (квантови) състояния.В основно състояние атомът може да бъде безкрайно дълъг, животът на атом във възбудено състояние продължава 10 -9 -10 -7 секунди.

3. Излъчването или поглъщането на енергия се случва само когато атомът преминава от едно стационарно състояние в друго. Енергията на кванта на електромагнитното излъчване по време на прехода от стационарно състояние с енергия E mв състояние на енергия E nе равна на разликата между енергиите на атом в две квантови състояния:

∆E = E m – E n = hv,

където vе честотата на излъчване, з\u003d 2ph \u003d 6,62 ∙ 10 -34 J ∙ s.

Квантов модел на структурата на атома

В бъдеще някои положения от теорията на Н. Бор бяха допълнени и преосмислени. Най-съществената промяна беше въвеждането на концепцията за електронен облак, която замени концепцията за електрон само като частица. По-късно теорията на Бор е заменена от квантовата теория, която отчита вълновите свойства на електрона и другите елементарни частици, които образуват атома.

основа съвременна теорияструктура на атомае планетарен модел, допълнен и подобрен. Според тази теория, ядрото на атома се състои от протони (положително заредени частици) и неврони (незаредени частици). А около ядрото електроните (отрицателно заредени частици) се движат по неопределени траектории.

Имате ли някакви въпроси? Искате ли да знаете повече за моделите на атомна структура?
За да получите помощта на преподавател - регистрирайте се.
Първият урок е безплатен!

сайт, с пълно или частично копиране на материала е необходима връзка към източника.

Темата на този урок е „Модели на атоми. Опитът на Ръдърфорд. На него ще научим как учените са изследвали сложната структура на атомите, как са намерили обяснение на тази теория, където придобитите знания се прилагат днес. Ще разгледаме и как, използвайки експеримента на Ръдърфорд, може да се изследва моделът на атома.

В предишния урок обсъдихме, че в резултат на радиоактивност, различни видоверадиация: a-, b- и g-лъчи. Появи се инструмент, с който беше възможно да се изследва структурата на атома.

След като стана ясно, че атомът също има сложна структура, някак подредена по специален начин, се наложи да се изследва самата структура на атома, да се обясни как е подредена, от какво се състои. И така учените започнаха това изследване.

Първите идеи за сложна структураса изразени Томсънкойто открива електрона през 1897 г. През 1903 г. Томсън за първи път предлага модел на атома. Според теорията на Томсън атомът е бил сфера, върху целия обем на която е "размазан" положителен заряд. А вътре, като плаващи елементи, имаше електрони. Като цяло, според Томсън, атомът е бил електрически неутрален, тоест зарядът на такъв атом е бил равен на 0. Отрицателните заряди на електроните компенсират положителния заряд на самия атом. Размерът на атома е приблизително 10 -10 м. Моделът на Томсън се нарича "пудинг със стафиди": самият "пудинг" е положително зареденото "тяло" на атома, а "стафидите" са електрони (фиг. 1) .

Ориз. 1. Моделът на Томсън на атома („пудинг със стафиди“)

Проведен е първият надежден експеримент за определяне на структурата на атома Е. Ръдърфорд. Днес знаем със сигурност, че атомът е структура, наподобяваща планетарна слънчева система. В центъра е масивно тяло, около което се въртят планетите. Този модел на атома се нарича планетарен модел.

Нека се обърнем към експерименталната схема на Ръдърфорд (фиг. 2) и да обсъдим резултатите, довели до създаването на планетарния модел.

Ориз. 2. Схема на експеримента на Ръдърфорд

Радий беше поставен вътре в оловен цилиндър с тесен отвор. С помощта на диафрагма се създава тесен лъч от а-частици, които, прелитайки през отвора на диафрагмата, попадат върху екран, покрит със специален състав, и при удара се появява микро-отблеск. Такова сияние при попадане на частици в екрана се нарича "сцинтилационна светкавица". Такива светкавици са наблюдавани на повърхността на екрана с помощта на микроскоп. В бъдеще, докато няма златна плоча в схемата, всички частици, които излитат от цилиндъра, попадат в една точка. Когато вътре в екрана се постави много тънка златна пластина по пътя на летящите а-частици, започнаха да се наблюдават напълно неразбираеми неща. Веднага след като златната плоча беше поставена, а-частиците започнаха да се отклоняват. Видяха се частици, които се отклониха от първоначалното си праволинейно движение и вече паднаха в напълно различни точки на този екран.

Освен това, когато екранът беше почти затворен, се оказа, че има частици, които по някакъв начин влитат обратна страна. Те се отклоняват под ъгъл от 90° или повече. Тези наблюдения бяха анализирани от Ръдърфорд и се разкри следното доста любопитно нещо.

На първо място, теорията на Томсън се провали тук. Според теорията на Томсън атомът е сфера с размери 10 -10 m, в която е размазан положителният заряд и има електрон. Сега електроните са много малки частици, те не могат да пречат на a-частиците, летящи с прилична скорост. Скоростта на а-частиците в този случай е около 10 000 km/s.

Представете си ситуация, в която камион се сблъсква с автомобил играчка. Ясно е, че камионът дори няма да забележи такава кола. Можем да дадем това като аналогия за сблъсъка на електрон с a-частица. Това означава, че е било необходимо да се заключи, че атомът е подреден по различен начин, а не по начина, който твърди Томсън. И очевидно в златния атом има обект, по-масивен от а-частицата, която има положителен заряд.

Нека разгледаме друга картина, която характеризира разсейването на а-частици върху тази масивна частица, чието присъствие Ръдърфорд предсказва в атома (фиг. 3).

Ориз. 3. Разсейване на алфа частициВъз основа на резултатите от експериментите може да се каже, че в атома има масивен положително зареден обект. една а-частица, сблъскваща се с тази голяма частица, може да бъде отразена обратно. Тези частици, които летят наблизо, се отклоняват под различни ъгли. Колкото по-далеч лети а-частицата от този обект, толкова по-малък е ъгълът, на който се отклоняват. Това явление се нарича " а-разсейване на частици».

Ръдърфорд нарече голямата частица вътре в атома ядрото. И дори оцени размера му. Според Ръдърфорд размерите на ядрото са били 10 -14 -10 -15 м. Този обект е бил много, много малък по размер в сравнение с атом. Един атом има размери от порядъка на 10 -10 м. В този случай почти цялата маса на атома е била концентрирана точно в ядрото. И именно около ядрото се въртят електроните.

това предполага планетарен моделРъдърфорд, който твърди, че атомът е масивно положително заредено ядро, около което се въртят електроните в орбитите си (фиг. 4). Като цяло, атомът е електрически неутрален, т.е. зарядът на атома е нула. Ако един атом има твърде много или твърде малко електрони, той се нарича йон.

Ориз. 4. Планетарен модел на атома

Разбира се, имаше и други интересни теории. Днес планетарният модел на атома, предложен от Ърнест Ръдърфорд, е общоприет, с някои резерви, за които ще говорим по-късно.

Библиография

1. Бронщайн М.П. Атоми и електрони. „Библиотека „Квант““. Проблем. 1. - М.: Наука, 1980.
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9. клас на СОУ. - М.: "Просвещение".
3. Китайгородски A.I. Физика за всеки. Фотони и ядра. Книга 4. - М.: Наука.
4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантова физика. 11 клас: учебник за задълбочено проучванефизика. - М.: Дропла.
5. Нютон И. Математически принципи на натурфилософията. - М.: Наука, 1989.
6. Ръдърфорд Е. Избрано научни трудове. Радиоактивност. - М.: Наука.
7. Ръдърфорд Е. Избрани научни трудове. Структурата на атома и изкуственото преобразуване на елементите. - М.: Наука.
8. Айнщайн А., Инфелд Л. Еволюцията на физиката. Развитие на идеи от първоначални концепции до теорията на относителността и квантите. - М.: Наука, 1965.

До края на 19 век се смяташе, че атомът е неделим. Но след като английският физик Джоузеф Джон Томсън открива електрона през 1897 г., става ясно, че учените грешат.

И така, след като открива електрона, Томсън стига до заключението, че той има маса и има отрицателен заряд. Предполага се, че електронът е интегрална частатом. Но тъй като има отрицателен заряд, следователно съставът на атома трябва да включва частици, които имат положителен заряд, тъй като атомът като цяло е неутрален.

Томсънов модел на атома

Томсън предложи своя модел на атома. Той вярвал, че атомът е сферичен. Вътре в тази топка има положително заредено вещество, в което има отрицателно заредени електрони. Томсън шеговито нарече своя модел "кифличка със стафиди". Тоест в неговия модел електроните са сякаш вградени в някаква положително заредена маса, като стафиди в кифличка.

Опитът на Ръдърфорд

Опитът на Ръдърфорд

По-нататъшни изследвания на атома от учени показаха, че моделът, предложен от Томсън, е неправилен.

През 1909 г. английският физик Ърнест Ръдърфорд провежда експеримент с разсейването на алфа частици, които се образуват по време на разпада химичен елементрадий. Масата на алфа частиците е 8000 пъти по-голяма от масата на електрона.

В експеримента на Ръдърфорд през тънко златно фолио се пропуска лъч от алфа частици. Трябва да се каже, че фолиото беше толкова тънко, че дебелината му беше почти един слой от молекули. Ако Томсън беше прав и атомът се състои от някакъв вид облак от електрони, тогава алфа-частиците, които имат голяма маса, трябва лесно да преминат през фолиото. Но всъщност се оказа, че някои от алфа частиците действително преминаха, отклонявайки се само на малък ъгъл, а някои сякаш се натъкнаха на някакво препятствие и отскочиха. Това беше невероятно. Впоследствие Ръдърфорд сравнява опита си с изстрелване на 15-инчов снаряд по тишу хартия. Резултатът от неговия експеримент беше същият, сякаш снарядът не само не пробие тишу хартията, но и отскочи от нея. Тоест вътре в атома имаше нещо, което не позволяваше на алфа-частиците да преминат през атома. Тъй като алфа-частиците са имали положителен заряд, те най-вероятно са преминали покрай други частици с положителен заряд. И размерът на тези частици беше много по-малък от размера на самия атом. Предполагаше се, че златният атом се състои от ядро ​​с положителен заряд и заобикалящи го отрицателно заредени електрони.

Може да се каже, че това е раждането на ядрената физика.

Планетарен модел на атома

Ръдърфордов модел на атома

Ръдърфорд предложи свой собствен модел на атома, който обяснява структурата на атома. Той вярвал, че по-голямата част от масата на атома е концентрирана в положително заредено ядро. И отрицателно заредените електрони се въртят около това ядро ​​по същия начин, както планетите се въртят около Слънцето. И електроните се въртят под въздействието на кулоновата сила, действаща върху тях от страната на ядрото. Моделът на Ръдърфорд беше наречен планетарен.

Електроните в атома се въртят с такава огромна скорост, че образуват вид облак над повърхността на ядрото. Всички атоми са разположени на известно разстояние един от друг. И те не се „залепват заедно“, защото около ядрото на всеки атом има собствен електронен „облак“, отрицателно зареден. И този „облак” се отблъсква от отрицателно заредения електронен „облак” на друг атом.

Но моделът на Ръдърфорд за атома беше погрешен. Това беше несъвместимо със законите на класическата физика. Защо електронът не попада в ядрото? Защото се върти около него. Но въртейки се, той трябва да излъчва електромагнитни вълни и да губи енергия. И след като постепенно изразходва цялата енергия, електронът трябва да падне върху ядрото. Но това не се случва в действителност. Тоест процесите, протичащи в атома, не се подчиняват на класическите закони.

Впоследствие датският физик Нилс Бор дава обяснение за това явление. Той предположи, че електроните в атома се движат само по неподвижни орбити, където не излъчват енергия. И Бор беше прав.

В началото на ХХ век. Е. Ръдърфорд определя структурата на атома чрез експерименти върху облъчването на тънко фолио с α-частици. Той показа, че атомът има планетарен модел (фиг. 3), тоест се състои от плътно положително заредено ядро, около което се върти хлабава електронна обвивка.

Ориз. 3.Планетарен модел на структурата на атома от Е. Ръдърфорд

Като цяло, атомът е електрически неутрална елементарна структура на химичен елемент. Физическото значение на поредния номер на Z-елемента в периодичната система от елементи е установено в планетарния модел на атома на Ръдърфорд. Z съвпада с броя на положителните елементарни заряди в ядрото, като естествено се увеличава с един при прехода от предишния елемент към следващия. Химичните свойства на елементите и редица техни физични свойства се обясняват с поведението на външните, така наречените валентни електрони на техните атоми.

Следователно периодичността на свойствата на химичните елементи трябва да бъде свързана с определена периодичност в подреждането на електроните в атомите на различни елементи. теория периодична системасе основава на следните разпоредби:

а) поредният номер на химичен елемент е равен на общия брой електрони в атома на този елемент;

б) състоянието на електроните в атома се определя от набор от техните квантови числа P,л, мИ мс . Разпределението на електроните в атома по енергийни състояния трябва да отговаря на принципа на минималната потенциална енергия: с увеличаване на броя на електроните всеки следващ електрон трябва да заема възможно енергийно състояние с най-ниска енергия;

в) запълването на енергийните състояния в атома с електрони трябва да става в съответствие с принципа на Паули.

Електрони в атом, заемащи набор от състояния със същата стойност на главното квантово число П, образуват електронна обвивка или електронен слой. В зависимост от стойностите нсе разграничават следните черупки: ДА СЕв n = 1,Лв n = 2,Мв н= 3,нв n = 4,ОТНОСНОв П= 5 и т. н. Максималният брой електрони, които могат да бъдат в обвивки според принципа на Паули: ин ДА СЕ-обвивка - 2 електрона, в обвивки Л,М,нИ ОТНОСНО 8, 18, 32 и 50 електрона, съответно. Във всяка от обвивките електроните са разпределени в подгрупи или подобвивки, всяка от които съответства на определена стойност на орбиталното квантово число. В атомната физика е обичайно електронното състояние в атома да се обозначава със символа Пл, което показва стойността на две квантови числа. Електрони в състояния, характеризиращи се със същите квантови числа нИ лсе наричат ​​еквивалентни. номер З-еквивалентните електрони се обозначават с експонента в символа nl z . Ако електроните са в някои състояния с определени стойности на квантовите числа ПИ л, тогава се приема, че е дадена така наречената електронна конфигурация. Например основното състояние на кислороден атом може да бъде изразено със следната символна формула: 1s 2 , 2s 2 , 2p 4 . Това показва, че два електрона са в състояния с н= 1 и л= 0, два електрона имат квантови числа н= 2 и л= 0 и четири електрона заемат състояния c н = 2 и л= 1.

Редът на запълване на електронните състояния в обвивките на атомите и в рамките на една и съща обвивка - в подгрупи (подчерупки) трябва да съответства на последователността на подреждане на енергийните нива с данни ПИ л. Първо се запълват състоянията с възможно най-ниска енергия, а след това състоянията с прогресивно по-висока енергия. За леките атоми този ред съответства на факта, че черупката с по-малка Пи едва тогава следващата обвивка трябва да бъде запълнена с електрони. В рамките на една обвивка, състояния с л= 0, а след това състояния с големи л, до л=П– 1. Взаимодействието между електроните води до факта, че за достатъчно големи главни квантови числа ндържави с страхотни ни малки лмогат да имат по-малко енергия, тоест да бъдат енергийно по-благоприятни от състоянията с по-малко П, но с повече л. От гореизложеното следва, че периодичността на химичните свойства на елементите се обяснява с повторяемостта на електронните конфигурации във външните електронни подгрупи на атомите на свързаните елементи.