RUTHERFORD ATOMMODELLJE: TÖRTÉNELEM, KÍSÉRLETEK, POSZTULÁCIÓK - FIZIKAI - 2026

A Rutherford atommodell az atom leírása, amelyet Ernest Rutherford (1871-1937) brit fizikus készített 1911-ben, amikor az atommag a híres szórásos kísérletekkel, amelyek nevüket adták.

Az atom (görögül "oszthatatlan"), mint az anyag legkisebb alkotóeleme gondolata az ókori Görögországban született, Kr. E. 300 körül. Mint sok más görög fogalomhoz hasonlóan, az atom fogalmát is az logika és érvelés, de nem kísérletezés.

Rutherford atommodellje

A legfigyelemreméltóbb atomista filozófusok Abdera Demokratikusa (Kr. E. 460–360), Samos Epicurus (Kr. E. 341–270) és Titus Lucretius (Kr. E. 98–54). A görögök négy különféle atomot fogalmaztak meg, amelyek megfelelnek a négy elemnek, amelyek szerintük anyagot képez: levegő, víz, föld és tűz.

Később Arisztotelész hozzátesz egy ötödik elemet: az étert, amely a csillagokat képezte, mivel a másik négy elem tisztán földi.

Nagy Sándor, akinek Arisztotelész tanítója volt, hódításai kiterjesztették hiedelmeit az ókori világban, Spanyolországtól Indiáig, így évszázadok óta az atom gondolata saját helyet teremtett a tudomány világában.

Az atom már nem osztható

A görög filozófusok gondolatai az anyag szerkezetéről évszázadok óta valósultak meg, míg John Dalton nevű angol vegyész és iskolai tanár (1776-1844) 1808-ban közzétette kísérleteinek eredményeit.

Dalton egyetértett abban, hogy az elemek rendkívül kicsi, atomoknak nevezett részecskékből állnak. De továbbment azzal, hogy kijelenti, hogy ugyanazon elem összes atomja azonos, azonos méretű, azonos tömegű és ugyanazon kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, ami kémiai reakció során változatlan marad.

Ez az első tudományosan megalapozott atommodell. A görögökhez hasonlóan Dalton továbbra is az atomot oszthatatlannak tekintette, ezért szerkezetének hiánya volt. Dalton zsenialitása azonban arra késztette őt, hogy tartsa be a fizika egyik nagy megőrzési elvét:

• A kémiai reakciók során az atomok nem keletkeznek és sem pusztulnak el, csak megoszlásuk változnak.

És megállapította, hogy a kémiai vegyületek miként alakulnak ki az "összetett atomok" (molekulák) révén:

• Amikor a különböző elemek két vagy több atomja egyesül, és ugyanazt a vegyületet képezi, akkor ezt mindig meghatározott és állandó tömegarányban végzik el.

A 19. század volt az elektromosság és a mágnesesség nagy századja. Néhány évvel Dalton publikációi után néhány kísérlet eredményei megkérdőjelezték a tudósokat az atom oszthatatlanságáról.

Crookes cső

A Crookes cső olyan eszköz volt, amelyet William Crookes (1832-1919) brit vegyész és meteorológus tervezett. A kísérlet, amelyet a Crookes 1875-ben végzett, két elektróda, az egyik katódnak, a másik pedig az anódnak az elhelyezését egy alacsony nyomású gázzal töltött csőbe helyezte.

A két elektróda közötti potenciálkülönbség megállapításával a gáz olyan színű, amely a használt gázra jellemző. Ez a tény azt sugallta, hogy az atomon belül létezik egy bizonyos szervezet, és ezért nem volt oszthatatlan.

Ezenkívül ez a sugárzás gyenge fluoreszcenciát okozott az üvegcső falán a katód előtt, kivágva a csőben található kereszt alakú jel árnyékát.

Ez egy titokzatos sugárzás, amelyet "katódsugárnak" neveztek, amely egyenes vonalban haladt az anód felé, nagyon energikus volt, képes mechanikai hatásokat kifejteni, és egy pozitív töltésű lemez felé, vagy mágnesek útján elhajlott.

Az elektron felfedezése

A Crookes cső belsejében levő sugárzás nem lehetett hullám, mivel negatív töltéssel rendelkezik. Joseph John Thomson (1856 - 1940) 1887-ben fogalmazta meg a választ, amikor megállapította a sugárzás töltése és tömege közötti összefüggést, és megállapította, hogy mindig ugyanaz: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, függetlenül a gáztól. a csőbe zárva vagy a katód előállításához használt anyagban.

Thomson ezeket a részecskéket corpuscle-nek nevezi. Az elektromos töltéshez viszonyított tömegének megmérésével arra a következtetésre jutott, hogy az egyes testek lényegesen kisebbek, mint egy atom. Ezért azt javasolta, hogy legyenek ezek részei, ily módon felfedezzék az elektronot.

A brit tudós először vázlatosan rajzolta az atom grafikus modelljét, rajzolva egy gömböt beillesztett pontokkal, amelynek alakja miatt "szilva puding" becenevet kapott. De ez a felfedezés más kérdéseket vetett fel:

• Ha az anyag semleges, és az elektron negatív töltéssel rendelkezik: hol az atomban a pozitív töltés, amely semlegesíti az elektronokat?
• Ha az elektron tömege kisebb, mint az atom tömege, akkor miről áll az atom többi része?
• Miért voltak az így kapott részecskék mindig elektronok, és soha nem más típusúak?

Rutherford szórási kísérletek: az atommag és a proton

1898-ra Rutherford kétféle urán sugárzást azonosított, amelyeket alfa- és béta-nak nevez.

A természetes radioaktivitást Marie Curie már 1896-ban felfedezte. Az alfa-részecskék pozitív töltésűek és egyszerűen héliummagok, de akkoriban még nem volt ismert a magmag fogalma. Rutherford meg akarta tudni.

Az egyik kísérlet, amelyet Rutherford 1911-ben a Manchesteri Egyetemen végzett Hans Geiger segítségével, egy finom aranyfólia bombázását jelentette az alfa-részecskékkel, amelyek töltése pozitív. Az arany fólia körül fluoreszkáló képernyőt helyezett, amely lehetővé tette számukra a bombázás hatásainak megjelenítését.

Megfigyelések

A fluoreszkáló képernyő hatásait vizsgálva Rutherford és asszisztensei megfigyelték, hogy:

1. Az alfa-részecskék nagyon magas százaléka észlelhető eltérés nélkül haladt át a lapon.
2. Néhányan nagyon meredek szögekben tértek el
3. És nagyon kevés visszatért

Rutherford szóráskísérletek. Forrás:.

A 2. és 3. megfigyelés meglepte a kutatókat, és arra késztette őket, hogy a sugarak szóródásáért felelős személynek pozitív töltéssel kell rendelkeznie, és hogy az 1. megfigyelés alapján ez a felelős személy sokkal kisebb volt, mint az alfa-részecskék..

Maga Rutherford mondta erről, hogy "… mintha egy 15 hüvelykes haditengerészeti lövedéket lőtt egy papírlapra, és a lövedék visszapattant, és eltalált". Ezt a Thompson modell egyértelműen nem magyarázza meg.

Eredményeit a klasszikus szempontból elemezve Rutherford felfedezte az atommag létezését, ahol az atom pozitív töltése koncentrálódott, ami semlegességet adott.

Rutherford folytatta szétszórt kísérleteit. 1918-ra az alfa-részecskék új célpontja a nitrogénatomok voltak.

Ilyen módon felismerte a hidrogénmagokat és azonnal tudta, hogy ezek a magok az egyetlen hely, ahonnan a nitrogén származhat. Hogyan lehetséges, hogy a hidrogén atomok részei a nitrogénnek?

Rutherford ezután azt javasolta, hogy a hidrogén atommagjának, amelyhez az 1. atomszám már hozzá van rendelve, alapvető részecskének kell lennie. Protonnak hívta, először egy görög szóval. Tehát az atommag és a proton felfedezése ennek a ragyogó új-zélandi embernek köszönhető.

Rutherford atommodellje posztulál

Az új modell nagyon különbözött a Thompson-tól. Ezek voltak a posztulátumai:

• Az atom pozitív töltésű magot tartalmaz, amely annak ellenére, hogy nagyon kicsi, szinte az atom tömegét tartalmazza.
• Az atomok nagy atomjait nagy elektronok keringik nagy távolságra, kör vagy ellipszis alakjában.
• Az atom nettó töltése nulla, mivel az elektronok töltései ellensúlyozzák a magban levő pozitív töltést.

Rutherford számításai mutatott egy magot egy gömb alakú és a kör sugara kisebb, mint 10 ^-15 m, az érték a atomrádiusz pedig mintegy 100.000-szer nagyobb, mivel a magok viszonylag távol vannak egymástól: a nagyságrendileg 10 ^-10 m.

Fiatal Ernest Rutherford. Forrás: Ismeretlen, 1939-ben közzétett Rutherfordban: a Rt. Honvéd életének és leveleinek ismertetése. Lord Rutherford, O. M

Ez megmagyarázza, hogy az alfa-részecskék többsége miért zökkenőmentesen átjutott a lapon, vagy csak nagyon csekély mértékben volt hajlítva.

A mindennapi tárgyak méretét tekintve a Rutherford atom egy baseball méretű magból állna, míg az atom sugara körülbelül 8 km lenne, tehát az atom szinte mindent üres helynek tekinthet.

A miniatűr Naprendszerhez való hasonlóságának köszönhetően "atom bolygómodelljévé" vált ismertté. A mag és az elektronok közötti elektrosztatikus vonzóerő analóg lenne a nap és a bolygók közötti gravitációs vonzerővel.

korlátozások

Néhány megfigyelt ténynél azonban voltak nézeteltérések:

• Ha elfogadjuk azt az elképzelést, hogy az elektron kering a mag körül, akkor előfordul, hogy az elektronnak folyamatosan sugárzást kell kibocsátania mindaddig, amíg összeomlik a maggal, és ennek következtében az atom jóval egy másodperc alatt elpusztul. Szerencsére nem ez történik valójában.
• Ezenkívül bizonyos esetekben az atom bizonyos elektromágneses sugárzási frekvenciákat bocsát ki, amikor a magasabb energiaállapotok között átmenetek vannak az alacsonyabb energiájú állapotokba, és csak ezek a frekvenciák vannak, a többi nem. Hogyan lehet megmagyarázni azt a tényt, hogy az energia kvantált?

E korlátozások ellenére, mivel manapság sokkal kifinomultabb modellek vannak a megfigyelt tényekkel összhangban, Rutherford atommodellje továbbra is hasznos annak érdekében, hogy a hallgató sikeresen megközelítse az atomot és annak alkotó részecskéit.

Az atomnak ebben a modelljében a neutron nem jelenik meg, amag egy másik alkotóeleme, amelyet 1932-ig fedeztek fel.

Röviddel azután, hogy Rutherford javaslatot tett bolygómodelljére, 1913-ban Niels Bohr dán fizikus módosította azt, hogy elmagyarázza, miért nem pusztul el az atom, és mi még mindig itt vagyunk, hogy elmeséljük ezt a történetet.

Érdekes cikkek

Schrödinger atommodellje.

De Broglie atommodell.

Chadwick atommodellje.

Heisenberg atommodell.

Perrin atommodellje.

Thomson atommodellje.

Dirac Jordan atommodell.

A Democritus atommodellje.

Bohr atommodellje.

Dalton atommodellje.

Irodalom

1. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Osztályjegyzet a radiobiológia és a radiológiai védelem elnökéhez. A Venezuelai Központi Egyetem közegészségügyi iskolája.