RUTHERFORDOV ATOMSKI MODEL: POVIJEST, EKSPERIMENTI, POSTULATI - FIZIČKA - 2024

Rutherford atomska Model je opis atoma stvorio britanski fizičar Ernest Rutherford (1871-1937) otkrivena 1911. godine, kada je atomska jezgra od strane poznatih rasapa eksperimenata koji se njihovo ime.

Ideja atoma („nedjeljivog“ na grčkom) kao najmanjeg sastavnog dijela materije bila je intelektualna tvorevina rođena u drevnoj Grčkoj, oko 300. godine prije Krista. Poput mnogih grčkih koncepata, koncept atoma razvijen je na temelju logika i argumentacija, ali ne i eksperimentiranje.

Rutherfordov atomski model

Najistaknutiji atomistički filozofi bili su Demokrit iz Abdera (460. - 360. pr. Kr.), Epikur iz Samosa (341. - 270. Pr. Kr.) I Tit Lukrecij (98. - 54. pr. Kr.). Grci su zamislili četiri različite vrste atoma koji su odgovarali četiriju elemenata koji su prema njima sačinjavali materiju: zrak, vodu, zemlju i vatru.

Kasnije bi Aristotel dodao peti element: eter koji je tvorio zvijezde, jer su ostala četiri elementa čisto zemaljska.

Osvajanja Aleksandra Velikog, kojemu je Aristotel bio učitelj, proširila su njegova vjerovanja u drevnom svijetu, od Španjolske do Indije i tako je stoljećima ideja o atomu stvarala svoje mjesto u svijetu znanosti.

Atom više nije nedjeljiv

Ideje grčkih filozofa o strukturi materije bile su istinite stotinama godina, sve dok engleski kemičar i učitelj po imenu John Dalton (1776-1844) nije objavio rezultate svojih pokusa 1808.

Dalton se složio da se elementi sastoje od izuzetno malih čestica, nazvanih atomi. Ali nastavio je dalje navodeći da su svi atomi istog elementa jednaki, da imaju istu veličinu, istu masu i ista kemijska svojstva, zbog čega ostaju nepromijenjeni tijekom kemijske reakcije.

Ovo je prvi znanstveno utemeljen atomski model. Poput Grka, i Dalton je atom smatrao nedjeljivim, stoga nije imao strukture. Međutim, Daltonov genij doveo ga je do promatranja jednog od velikih načela očuvanja Fizike:

• U kemijskim reakcijama atomi se ne stvaraju niti uništavaju, oni samo mijenjaju svoju distribuciju.

I ustanovio način na koji kemijske spojeve stvaraju "spojevi atomi" (molekule):

• Kad se dva ili više atoma različitih elemenata kombiniraju kako bi tvorili isti spoj, to uvijek čine u definiranim i stalnim omjerima mase.

19. stoljeće bilo je veliko stoljeće električne energije i magnetizma. Nekoliko godina nakon Daltonovih publikacija, rezultati nekih eksperimenata doveli su u sumnju znanstvenike o nedjeljivosti atoma.

Crookes cijev

Crookesova cijev bila je naprava koju je dizajnirao britanski kemičar i meteorolog William Crookes (1832-1919). Eksperiment koji je Crookes proveo 1875. godine sastojao se od postavljanja, u cijev napunjenu plinom pod niskim tlakom, dvije elektrode, jedna koja se naziva katoda, a druga nazvana anoda.

Uspostavljanjem razlike potencijala između dviju elektroda, plin je svijetlio bojom koja je karakteristična za upotrijebljeni plin. Ova činjenica sugerira da postoji određena određena organizacija unutar atoma i da zato nije nedjeljiva.

Nadalje, ovo zračenje proizvelo je slabu fluorescenciju na zidu staklene cijevi ispred katode, izrezujući sjenu križnog žiga smještenog unutar cijevi.

Bilo je to misteriozno zračenje poznato kao "katodne zrake", koje su putovale ravno prema anodi i bile su visoko energične, sposobne su stvarati mehaničke učinke i bile su odbijene prema ploči s pozitivnim nabojem ili magnetima.

Otkriće elektrona

Zračenje unutar Crooksove cijevi nije moglo biti valovima, jer je nosilo negativan naboj. Joseph John Thomson (1856. - 1940.) Došao je do odgovora 1887. godine kada je pronašao odnos naboja i mase ovog zračenja i ustanovio da je uvijek isti: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, bez obzira na plin zatvoreni u cijev ili materijal koji se koristi za izradu katode.

Thomson je te čestice nazvao tijelima. Mjereći njegovu masu u odnosu na električni naboj, zaključio je da je svaki korpuscle bio znatno manji od atoma. Stoga im je sugerirao da i oni budu dio njih, otkrivajući tako elektron.

Britanski je znanstvenik prvi nacrtao grafički model atoma, crtajući sferu s umetnutim točkama, koja je zbog svog oblika dobila nadimak "šljiva puding". Ali ovo je otkriće postavilo druga pitanja:

• Ako je materija neutralna, a elektron ima negativan naboj: gdje je u atomu pozitivni naboj koji neutralizira elektrone?
• Ako je masa elektrona manja od mase atoma, od čega se sastoji ostatak atoma?
• Zašto su tako dobivene čestice uvijek elektroni i nikad druge vrste?

Rutherford pokusi raspršivanja: atomsko jezgro i protoni

Do 1898. Rutherford je identificirao dvije vrste zračenja urana, koje je nazvao alfa i beta.

Prirodnu radioaktivnost Marie Curie već je otkrila 1896. Alfa čestice su pozitivno nabijene i jednostavno su helijeve jezgre, ali u to vrijeme koncept jezgre još nije bio poznat. Rutherford je trebao to saznati.

Jedan od eksperimenata koji je Rutherford izveo 1911. na sveučilištu u Manchesteru, uz pomoć Hansa Gegera, sastojao se od bombardiranja tanke zlatne folije alfa česticama, čiji je naboj pozitivan. Oko zlatne folije stavio je fluorescentni ekran koji im je omogućio da vizualiziraju učinke bombardiranja.

zapažanja

Proučavajući utjecaje na fluorescentni ekran, Rutherford i njegovi pomoćnici primijetili su da:

1. Vrlo visok postotak alfa čestica prošao je kroz lim bez primjetnog odstupanja.
2. Neki su odstupili pod prilično strmim uglovima
3. I vrlo malo njih je odskakalo sve natrag

Rutherford pokusi raspršivanja. Izvor:.

Promatranja 2 i 3 iznenadila su istraživače i navela ih da pretpostave da osoba odgovorna za raspršivanje zraka mora imati pozitivan naboj i da je prema promatranju broj 1 ta odgovorna osoba bila mnogo manja od alfa čestica., O tome je i sam Rutherford rekao da je "… kao da ste bacili 15-inčni mornarički projektil na list papira, a projektil se odbio natrag i udario vas." To se Thompsonovim modelom definitivno nije moglo objasniti.

Analizirajući njegove rezultate s klasičnog stajališta, Rutherford je otkrio postojanje atomskog jezgra u kojem je koncentriran pozitivan naboj atoma, što mu je davalo neutralnost.

Rutherford je nastavio svoje eksperimente raspršivanja. Do 1918. godine novi cilj alfa čestica bili su atomi dušičnog plina.

Na taj je način otkrio jezgre vodika i odmah je znao da jedino mjesto odakle te jezgre mogu potjeći od samog dušika. Kako je moguće da su jezgre vodika dio dušika?

Rutherford je tada sugerirao da jezgra vodika, element koji je već dobio atomski broj 1, mora biti temeljna čestica. Prvo je nazvao proton, grčka riječ. Dakle, otkrića atomskog jezgra i protona nastaju zbog ovog sjajnog Novozelanđana.

Rutherfordov atomski model postulira

Novi se model vrlo razlikovao od Thompsona. To su bili njegovi postulati:

• Atom sadrži pozitivno nabijeno jezgro, koje iako je vrlo malo, sadrži gotovo svu masu atoma.
• Elektroni kruže oko atomske jezgre na velikim daljinama i u kružnim ili eliptičnim orbitama.
• Neto naboj atoma je nula, jer naboji elektrona nadoknađuju pozitivni naboj prisutan u jezgri.

Rutherfordovi proračuni ukazali su na jezgro sferičnog oblika i polumjera malog od 10 do ¹⁵ m, a vrijednost atomskog radijusa je oko 100 000 puta veća, jer su jezgre razmjerno daleko jednake: reda ^10-10 m.

Mladi Ernest Rutherford. Izvor: Nepoznato, objavljeno 1939. u Rutherfordu: život i pisma kralja Ronhera. Lord Rutherford, O. M

To objašnjava zašto je većina alfa čestica prolazila kroz lim glatko ili je imala samo vrlo mali odboj.

Gledano na ljestvici svakodnevnih predmeta, atom Rutherforda sastojao bi se od jezgre veličine bejzbola, dok bi atomski polumjer bio oko 8 km, stoga se atom može gotovo sve smatrati praznim prostorom.

Zahvaljujući svojoj sličnosti s minijaturnim solarnim sustavom, postao je poznat kao "planetarni model atoma". Sila elektrostatičke privlačnosti između jezgre i elektrona bila bi analogna gravitacijskoj privlačnosti između sunca i planeta.

Ograničenja

Međutim, postojala su neslaganja u vezi s nekim promatranim činjenicama:

• Ako se prihvati ideja da elektron kruži oko jezgre, dogodi se da bi elektron trebao neprekidno emitirati zračenje dok se ne sudara s jezgrom, s posljedičnim uništenjem atoma u mnogo manje od sekunde. To se, srećom, zapravo ne događa.
• Nadalje, u određenim prilikama atom emitira određene frekvencije elektromagnetskog zračenja kada postoje prijelazi između stanja više energije u jedno s nižom energijom, i samo te frekvencije, ne druge. Kako objasniti činjenicu da se energija kvantizira?

Unatoč tim ograničenjima, budući da danas postoje mnogo sofisticiraniji modeli u skladu s promatranim činjenicama, Rutherford je atomski model još uvijek koristan da student ima uspješan prvi pristup atomu i njegovim sastavnim česticama.

U ovom modelu atoma ne pojavljuje se neutron, još jedan sastojak jezgre, koji je otkriven tek 1932. godine.

Ubrzo nakon što je Rutherford predložio svoj planetarni model, 1913. danski fizičar Niels Bohr izmijenio bi ga da objasni zašto atom nije uništen, a mi smo još uvijek tu da ispričamo ovu priču.

Članci interesa

Schrödingerov atomski model.

De Broglieov atomski model.

Chadwickov atomski model.

Heisenbergov atomski model.

Perrinov atomski model.

Thomson-ov atomski model.

Atomski model Dirac Jordana.

Atomski model Demokrita.

Bohrov atomski model.

Daltonov atomski model.

Reference

1. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Napomene o razredu za katedru za radiobiologiju i radiološku zaštitu. Škola javnog zdravlja Središnjeg sveučilišta u Venezueli.