Model atomowy Rutherforda: historia, eksperymenty, cechy i postulaty

Model atomowy Rutherforda jest opisem atomu stworzonego przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda (1871-1937), kiedy w 1911 roku odkrył jądro atomowe dzięki słynnym eksperymentom dyspersyjnym, które noszą jego imię.

Idea atomu („ niepodzielna ” w języku greckim) jako najmniejszego elementu materii, była twórczością intelektualną zrodzoną w starożytnej Grecji, około 300 rpne Podobnie jak wiele innych pojęć greckich, koncepcja atomu jest rozwijana na podstawie logika i argumentacja, ale nie eksperymentowanie.

Najbardziej znani filozofowie atomistyczni to Demokryt z Abdery (460–360 pne), Epikur z Samos (341–270 pne) i Tito Lukrecjusz (98–54 pne). Grecy wymyślili cztery różne typy atomów, które odpowiadały czterem elementom, które powiedzieli, które stanowiły materię: powietrze, woda, ziemia i ogień.

Później Arystoteles dodałby piąty element: eter, który uformował gwiazdy, ponieważ pozostałe cztery elementy były czysto ziemskie.

Podboje Aleksandra Wielkiego, którego nauczycielem był Arystoteles, rozszerzyły jego wierzenia przez świat starożytny, od Hiszpanii po Indie, a więc przez wieki idea atomu tworzyła miejsce w świecie nauki.

Atom nie jest już niepodzielny

Pomysły greckich filozofów na temat struktury materii pozostały prawdziwe przez setki lat, dopóki chemik i angielski nauczyciel o nazwisku John Dalton (1776-1844) nie opublikował wyników swoich eksperymentów w 1808 roku.

Dalton zgodził się, że elementy składają się z niezwykle małych cząstek, zwanych atomami. Ale poszedł dalej, stwierdzając, że wszystkie atomy tego samego pierwiastka są równe, mają ten sam rozmiar, tę samą masę i te same właściwości chemiczne, co sprawia, że pozostają niezmienione podczas reakcji chemicznej.

Jest to pierwszy model atomowy z podstawą naukową. Podobnie jak Grecy, Dalton nadal uważał atom za niepodzielny, a więc pozbawiony struktury. Jednak geniusz Daltona doprowadził go do przestrzegania jednej z wielkich zasad zachowania fizyki:

W reakcjach chemicznych atomy nie są ani tworzone, ani niszczone, zmieniają jedynie swój rozkład.

I ustalił sposób, w jaki związki chemiczne zostały utworzone przez „atomy złożone” (cząsteczki):

Gdy dwa lub więcej atomów różnych pierwiastków łączy się, tworząc ten sam związek, zawsze robią to w określonych i stałych proporcjach masy.

Wiek XIX był wielkim wiekiem elektryczności i magnetyzmu. Kilka lat po publikacjach Daltona wyniki niektórych eksperymentów zasiały wątpliwości wśród naukowców co do niepodzielności atomu.

Rurka Crookesa

Rurka Crookesa była urządzeniem zaprojektowanym przez brytyjskiego chemika i meteorologa Williama Crookesa (1832-1919). Eksperyment, który Crookes przeprowadził w 1875 r., Polegał na umieszczeniu w rurze pełnej gazu pod niskim ciśnieniem dwóch elektrod, jednej zwanej katodą, a drugiej zwanej anodą .

Ustalając różnicę potencjałów między dwiema elektrodami, gaz świecił kolorem charakterystycznym dla używanego gazu. Ten fakt zmusił nas do myślenia, że w atomie istnieje pewna szczególna organizacja, a zatem nie jest ona niepodzielna.

Ponadto promieniowanie to wytwarzało słabą fluorescencję w ścianie szklanej rurki przed katodą, odcinając cień znaku w kształcie krzyża umieszczonego wewnątrz rury.

Było to tajemnicze promieniowanie znane jako „promienie katodowe”, które wędrowało w linii prostej do anody i było wysoce energetyczne, zdolne do wywoływania efektów mechanicznych, i które zostało skierowane na naładowaną dodatnio płytę lub też magnesy.

Odkrycie elektronu

Promieniowanie wewnątrz rury Crookesa nie mogło być falami, ponieważ miało ładunek ujemny. Joseph John Thomson (1856 - 1940) znalazł odpowiedź w 1887 r., Kiedy odkrył związek między ładunkiem a masą tego promieniowania i stwierdził, że zawsze był taki sam: 1, 76 x 1011 C / kg, niezależnie od zamkniętego gazu w rurze lub materiale użytym do wykonania katody.

Thomson nazwał te cząsteczki cząstkami. Mierząc jego masę w stosunku do ładunku elektrycznego doszedł do wniosku, że każda ciałko jest znacznie mniejsze niż atom. Dlatego zasugerował, że powinni być ich częścią, odkrywając w ten sposób elektron .

Brytyjski naukowiec jako pierwszy naszkicował graficzny model atomu, rysując kulę z wstawionymi punktami, której kształtem nadano nazwę „pudding śliwkowy”. Ale to odkrycie przyniosło inne pytania:

Jeśli materia jest neutralna, a elektron ma ładunek ujemny: w jakiej części atomu znajduje się ładunek dodatni, który neutralizuje elektrony?
Jeśli masa elektronu jest mniejsza niż masa atomu, to jaka jest reszta atomu?
Dlaczego cząstki tak otrzymane zawsze były elektronami i nigdy innego rodzaju?

Eksperymenty rozpraszania Rutherforda: jądro atomowe i proton

W 1898 r. Rutherford zidentyfikował dwa rodzaje promieniowania z uranu, które nazwał alfa i beta .

Naturalna radioaktywność została już odkryta przez Marie Curie w 1896 r. Cząstki alfa są dodatnio naładowane i są po prostu jądrami helu, ale wówczas pojęcie jądra nie było jeszcze znane. Rutherford miał zamiar to odkryć.

Jeden z eksperymentów, które Rutherford wykonał w 1911 r. Na Uniwersytecie w Manchesterze, z pomocą Hansa Geigera, polegał na bombardowaniu cienkiej warstwy złota cząstkami alfa, których ładunek jest dodatni. Wokół złotej folii umieścił ekran fluorescencyjny, który pozwolił im zwizualizować efekty bombardowania.

Obserwacje

Badając uderzenia na ekranie fluorescencyjnym, Rutherford i jego asystenci zauważyli, że:

Bardzo wysoki procent cząstek alfa przekroczył arkusz bez zauważalnego odchylenia.
Niektóre odchylały się pod dość stromymi kątami
I bardzo niewielu odbiło się całkowicie

Obserwacje 2 i 3 zaskoczyły badaczy i skłoniły ich do przyjęcia, że osoba odpowiedzialna za rozpraszanie promieni musiała mieć ładunek dodatni i że dzięki obserwacji nr 1 osoba ta była znacznie mniejsza niż cząstki alfa.,

Sam Rutherford powiedział, że to „... jakbyś strzelał 15-calową morską muszlą na kartce papieru, a pocisk odbił się i uderzył cię”. Na pewno nie można tego wyjaśnić modelem Thompsona.

Analizując jego wyniki z klasycznego punktu widzenia, Rutherford odkrył istnienie jądra atomowego, gdzie skoncentrowany był dodatni ładunek atomu, który dał mu neutralność.

Rutherford kontynuował eksperymenty z rozpraszaniem. Do 1918 roku nowym celem cząstek alfa były atomy azotu.

W ten sposób wykrył jądra wodoru i od razu wiedział, że jedynym miejscem, z którego te jądra mogą pochodzić, jest sam azot. Jak to możliwe, że jądra wodoru były częścią azotu?

Rutherford zasugerował następnie, że jądro wodoru, element, któremu przypisano już liczbę atomową 1, musi być podstawową cząstką. Nazwał to protonem, greckim słowem oznaczającym najpierw . Tak więc odkrycia jądra atomowego i protonu wynikają z tego genialnego Nowozelandczyka.

Postulaty modelu atomowego Rutherforda

Nowy model bardzo różnił się od modelu Thompsona. To były jego postulaty:

Atom zawiera dodatnio naładowane jądro, które pomimo, że jest bardzo małe, zawiera prawie całą masę atomu.
Elektrony krążą wokół jądra atomowego na dużych odległościach i na orbitach kołowych lub eliptycznych.
Ładunek netto atomu wynosi zero, ponieważ ładunki elektronów kompensują ładunek dodatni obecny w jądrze.

Obliczenia Rutherforda wskazują na kulisty rdzeń i promień tak mały, jak 10-15 m, wartość promienia atomowego jest 100 000 razy większa, ponieważ jądra są stosunkowo daleko od siebie: rzędu 10-10 m.

To wyjaśnia, dlaczego większość cząstek alfa przechodziła przez arkusz bez niedogodności lub ledwo doświadczyła bardzo małego odchylenia.

W skali przedmiotów codziennego atom Rutherforda składałby się z rdzenia wielkości baseballu, podczas gdy promień atomowy wynosiłby około 8 km, dlatego atom można uznać za prawie wszystko jako pustą przestrzeń.

Dzięki podobieństwu do miniaturowego układu słonecznego był znany jako „planetarny model atomu”. Siła przyciągania elektrostatycznego między jądrem a elektronami byłaby analogiczna do przyciągania grawitacyjnego między słońcem a planetami.

Ograniczenia

Były jednak pewne nieporozumienia dotyczące niektórych zaobserwowanych faktów:

Jeśli zaakceptujemy ideę, że elektron krąży wokół jądra, zdarza się, że jądro powinno nieustannie emitować promieniowanie, aż zderzy się z jądrem, co spowoduje zniszczenie atomu w mniej niż sekundę. Na szczęście tak nie jest.
Ponadto, w pewnych przypadkach atom emituje pewne częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, gdy występują przejścia między stanem większej energii a stanem o mniejszej energii, a tylko te częstotliwości, a nie inne. Jak wyjaśnić fakt, że energia jest kwantowana?

Pomimo tych ograniczeń, ponieważ obecnie istnieją znacznie bardziej wyszukane modele i zgodnie z obserwowanymi faktami, model atomowy Rutherforda jest nadal przydatny dla ucznia, aby uzyskać pierwsze udane podejście atomu i jego cząstek składowych.

W tym modelu atomu nie pojawia się neutron, inny składnik jądra, który nie został odkryty do 1932 roku.

Wkrótce po tym, jak Rutherford zaproponował swój model planetarny, w 1913 roku duński fizyk Niels Bohr zmodyfikował go, aby wyjaśnić, dlaczego atom nie jest zniszczony i wciąż jesteśmy tutaj, aby opowiedzieć tę historię.