În 1903, omul de știință englez Thomson a propus un model al atomului, care a fost numit în glumă „chic de stafide”. Conform versiunii sale, un atom este o sferă cu o sarcină pozitivă uniformă, în care electronii încărcați negativ sunt intercalate ca stafidele.
Cu toate acestea, studii suplimentare asupra atomului au arătat că această teorie este insuportabilă. Și câțiva ani mai târziu, un alt fizician englez, Rutherford, a efectuat o serie de experimente. Pe baza rezultatelor, el a construit o ipoteză despre structura atomului, care este încă acceptată la nivel internațional.
Experimentul lui Rutherford: propunerea propriului model al atomului
În experimentele sale, Rutherford a trecut un fascicul de particule alfa prin folie subțire de aur. Aurul a fost ales pentru ductilitatea sa, ceea ce a făcut posibilă crearea unei folii foarte subțiri, de aproape un strat de molecule grosime. În spatele foliei se afla un ecran special, care era iluminat atunci când era bombardat de particulele alfa care cădeau pe ea. Conform teoriei lui Thomson, particulele alfa ar trebui să treacă prin folie nestingherite, deviind foarte ușor în lateral. Cu toate acestea, s-a dovedit că unele dintre particule s-au comportat în acest fel, iar o parte foarte mică a revenit, de parcă ar lovi ceva.
Adică, s-a stabilit că în interiorul atomului există ceva solid și mic, din care au sărit particulele alfa. Atunci Rutherford a propus un model planetar al structurii atomului. Modelul planetar al atomului lui Rutherford a explicat atât rezultatele experimentelor sale, cât și ale colegilor săi. Până astăzi nu a fost propus cel mai bun model, deși unele aspecte ale acestei teorii încă nu sunt de acord cu practica în unele domenii foarte înguste ale științei. Dar, practic, modelul planetar al atomului este cel mai util dintre toate. În ce constă acest model?
Model planetar al structurii atomului
După cum sugerează și numele, atomul este comparat cu o planetă. În acest caz, planeta este nucleul unui atom. Și electronii se rotesc în jurul nucleului la o distanță destul de mare, la fel cum sateliții se rotesc în jurul planetei. Doar viteza de rotație a electronilor este de sute de mii de ori mai mare decât viteza de rotație a celui mai rapid satelit. Prin urmare, în timpul rotației sale, electronul creează un fel de nor deasupra suprafeței nucleului. Iar sarcinile existente ale electronilor resping aceleași sarcini formate de alți electroni în jurul altor nuclee. Prin urmare, atomii nu se „lipesc împreună”, ci sunt localizați la o oarecare distanță unul de celălalt.
Și când vorbim despre ciocnirea particulelor, ne referim la faptul că ele se apropie suficient una de cealaltă distanta lungași sunt respinși de câmpurile sarcinilor lor. Nu există contact direct. Particulele din materie sunt în general situate foarte departe unele de altele. Dacă cumva particulele unui corp ar putea fi prăbușite împreună, acesta s-ar micșora de miliarde de ori. Pământul ar deveni mai mic decât un măr. Deci volumul principal al oricărei substanțe, oricât de ciudat ar suna, este ocupat de un gol în care se află particulele încărcate, ținute la distanță de forțele de interacțiune electronică.
Ideea că atomii sunt cele mai mici particule de materie a apărut pentru prima dată în timpul Grecia antică. Cu toate acestea, abia la sfârșitul secolului al XVIII-lea, datorită muncii unor oameni de știință precum A. Lavoisier, M.V Lomonosov și alții, s-a dovedit că atomii există cu adevărat. Cu toate acestea, în acele zile nimeni nu se întreba care este structura lor internă. Oamenii de știință încă considerau atomii drept „blocuri de construcție” indivizibile care alcătuiesc întreaga materie.
Încercările de a explica structura atomului
Cine a fost primul om de știință care a propus modelul nuclear? Prima încercare de a crea un model al acestor particule i-a aparținut lui J. Thomson. Cu toate acestea, nu poate fi numit succes în sensul deplin al cuvântului. La urma urmei, Thomson credea că atomul este un sistem sferic și neutru din punct de vedere electric. În același timp, omul de știință a presupus că sarcina pozitivă a fost distribuită uniform în volumul acestei mingi, iar în interiorul ei se afla un nucleu încărcat negativ. Toate încercările omului de știință de a explica structura internă a atomului au fost fără succes. Ernest Rutherford este cel care a propus modelul nuclear al structurii atomului la câțiva ani după ce Thomson și-a prezentat teoria.
Istoria cercetării
Folosind cercetările electrolizei din 1833, Faraday a reușit să stabilească că curentul dintr-o soluție de electrolit este un flux de particule încărcate sau ioni. Pe baza acestor studii, el a putut determina sarcina minimă a ionului. De asemenea, un rol important în dezvoltarea acestei direcții în fizică l-a jucat chimistul domestic D.I. El a fost primul care a ridicat întrebarea în cercurile științifice că toți atomii ar putea avea aceeași natură. Vedem că înainte de a fi propus pentru prima dată modelul nuclear Rutherford al structurii atomului, o varietate de oameni de știință au efectuat număr mare experimente nu mai puțin importante. Au promovat teoria atomică structura materiei înainte.
Primele experimente
Rutherford este cu adevărat un om de știință strălucit, deoarece descoperirile sale au revoluționat înțelegerea structurii materiei. În 1911, a reușit să organizeze un experiment, cu ajutorul căruia cercetătorii au putut să cerceteze adâncurile misterioase ale atomului și să-și facă o idee despre care este structura sa internă. Primele experimente au fost efectuate de om de știință cu sprijinul altor cercetători, însă rol principalîn deschidere îi aparţinea încă lui Rutherford.
Experiment
Folosind izvoare naturale radiații radioactive, Rutherford a reușit să construiască un pistol care a emis un flux de particule alfa. Era o cutie din plumb, în interiorul căreia se afla o substanță radioactivă. Era o fantă în pistol care permitea tuturor particulelor alfa să lovească ecranul de plumb. Au putut zbura doar prin fantă. Pe calea acestui fascicul de particule radioactive mai existau câteva ecrane.
Au separat particulele care au deviat de la o direcție specificată anterior. O țintă strict concentrată a fost lovită, Rutherford a folosit ca țintă o foaie subțire de folie de aur. Odată ce particulele au lovit această foaie, și-au continuat mișcarea și, în cele din urmă, au lovit un ecran fluorescent care a fost instalat în spatele acestei ținte. Când particulele alfa lovesc acest ecran, au fost înregistrate fulgerări, din care omul de știință a putut judeca câte particule s-au abătut de la direcția inițială la ciocnirea cu folie și care a fost magnitudinea acestei abateri.
Diferențele față de experimentele anterioare
Elevii și elevii care sunt interesați de cine a propus modelul nuclear al structurii atomului ar trebui să știe: experimente similare au fost efectuate în fizică înainte de Rutherford. Lor Ideea principală a fost să colecteze cât mai mult posibil din abaterile particulelor de la traiectoria inițială mai multe informații despre structura atomului. Toate aceste studii au dus la acumularea unei anumite cantități de informații în știință și au provocat gândirea structura internă cele mai mici particule.
Deja la începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință știau că un atom conține electroni cu sarcină negativă. Dar printre majoritatea cercetătorilor, opinia predominantă a fost că interiorul unui atom este mai mult ca o rețea plină cu particule încărcate negativ. Astfel de experimente au făcut posibilă obținerea multor informații - de exemplu, pentru a determina dimensiuni geometrice atomi.
Genială presupunere
Rutherford a observat că niciunul dintre predecesorii săi nu a încercat vreodată să determine dacă particulele alfa se pot abate la unghiuri foarte mari de la traiectoria lor. Modelul anterior, numit uneori „budincă de stafide” în rândul oamenilor de știință (deoarece conform acestui model, electronii dintr-un atom sunt distribuiți ca stafidele într-o budincă), pur și simplu nu permitea existența unor componente dense ale structurii în interiorul atomului. Niciunul dintre oamenii de știință nu s-a obosit să ia în considerare această opțiune. Cercetătorul i-a cerut studentului său să reechipeze instalația în așa fel încât să fie înregistrate abateri mari ale particulelor de la traiectorie - doar pentru a exclude această posibilitate. Imaginați-vă surpriza atât a omului de știință, cât și a studentului său când s-a dovedit că unele particule se împrăștie la un unghi de 180 de grade.
Ce se află în interiorul unui atom?
Am aflat cine a propus modelul nuclear al structurii atomului și care a fost experiența acestui om de știință. La acea vreme, experimentul lui Rutherford a fost o adevărată descoperire. El a fost forțat să concluzioneze că în interiorul unui atom, cea mai mare parte a masei este conținută în materie foarte densă. Diagrama modelului nuclear al structurii unui atom este extrem de simplă: în interior se află un nucleu încărcat pozitiv.
În jurul acestui nucleu orbitează alte particule numite electroni. Restul este mai puțin dens de câteva ordine de mărime. Dispunerea electronilor în interiorul unui atom nu este haotică - particulele sunt aranjate în ordinea creșterii energiei. Cercetătorul a numit părțile interne ale atomilor nuclee. Numele pe care omul de știință le-a introdus sunt folosite și astăzi în știință.
Cum să te pregătești pentru lecție?
Acei școlari care sunt interesați de cine a propus modelul nuclear al structurii atomului pot arăta cunoștințe suplimentare în lecție. De exemplu, puteți vorbi despre modul în care lui Rutherford, mult timp după experimentele sale, îi plăcea să dea o analogie pentru descoperirea sa. Pistole pentru rebeli sunt introduse ilegal într-o țară din sudul Africii, conținute în baloți de bumbac. Cum pot vameșii să determine exact unde se află proviziile periculoase dacă întregul tren este umplut cu aceste baloturi? Vameșul poate începe să tragă în baloți, iar acolo unde gloanțele ricoșează este locul unde se află arma. Rutherford a subliniat că exact așa a fost făcută descoperirea sa.
Pentru școlarii care se pregătesc să răspundă la această temă în clasă, este recomandabil să pregătească răspunsuri la următoarele întrebări:
1. Cine a propus modelul nuclear al structurii atomului?
2. Ce rost a avut experimentul?
3. Diferența dintre modelul nuclear și alte modele.
Semnificația teoriei lui Rutherford
Concluziile radicale pe care Rutherford le-a tras din experimentele sale i-au determinat pe mulți dintre contemporanii săi să se îndoiască de adevărul acestui model. Nici Rutherford însuși nu a făcut excepție - a publicat rezultatele cercetării sale la doar doi ani de la descoperire. Luând ca bază ideile clasice despre cum se mișcă microparticulele, el a propus un model planetar nuclear al structurii atomului. În general, atomul are o sarcină neutră. Electronii se mișcă în jurul nucleului, la fel cum planetele se învârt în jurul Soarelui. Această mișcare are loc datorită forțelor Coulomb. În prezent, modelul lui Rutherford a suferit modificări semnificative, dar descoperirea omului de știință nu își pierde relevanța astăzi.
A fost propus unul dintre primele modele de structură atomică J. Thomsonîn 1904, Atomul a fost imaginat ca o „mare de electricitate pozitivă” cu electroni care oscilează în el. Sarcina negativă totală a electronilor unui atom neutru din punct de vedere electric a fost egală cu sarcina sa pozitivă totală.
experiența lui Rutherford
Pentru a testa ipoteza lui Thomson și a determina mai precis structura atomului E. Rutherford a organizat o serie de experimente privind împrăștierea α -particule cu plăci subțiri de metal - folie. În 1910, studenții Rutherford Hans Geiger Şi Ernest Marsden α a efectuat experimente de bombardare α -particule de plăci subțiri de metal. Ei au descoperit că cele mai multe
-particulele trec prin folie fara a-si schimba traiectoria. Și acest lucru nu a fost surprinzător dacă acceptăm corectitudinea modelului atomic al lui Thomson. α - radiația a fost plasată într-un cub de plumb cu un canal forat în el, astfel încât să se poată obține un flux α -particule care zboară într-o anumită direcție. Particulele alfa sunt atomi de heliu dublu ionizat ( Nu 2+). Au o sarcină pozitivă +2 și o masă de aproape 7350 de ori masa unui electron. Ajungerea pe ecranul acoperit cu sulfură de zinc, α -particulele l-au făcut să strălucească, iar cu o lupă se putea vedea și număra blițurile individuale care apăreau pe ecran atunci când fiecare îl lovea α -particule. Folia a fost plasată între sursa de radiații și ecran. Din blițurile de pe ecran se putea aprecia împrăștierea α -particule, adică despre abaterea lor de la direcția inițială la trecerea printr-un strat de metal.
S-a dovedit că majoritatea α -particulele trec prin folie fără a-și schimba direcția, deși grosimea foliei corespundea la sute de mii de diametre atomice. Dar unii α -particulele erau încă deviate la unghiuri mici și, ocazional α -particulele și-au schimbat brusc direcția de mișcare și chiar (aproximativ 1 din 100.000) au fost aruncate înapoi, de parcă ar fi întâlnit un obstacol masiv. Cazuri de abatere atât de puternică α -particulele puteau fi observate prin deplasarea ecranului cu o lupă de-a lungul unui arc.
Din rezultatele acestui experiment se pot trage următoarele concluzii:
- Există un „obstacol” în atom, care a fost numit nucleu.
- Nucleul are o sarcină pozitivă (în caz contrar încărcat pozitiv α -particulele nu ar fi reflectate înapoi).
- Nucleul are dimensiuni foarte mici în comparație cu dimensiunea atomului însuși (doar o mică parte α -particulele și-au schimbat direcția de mișcare).
- Miezul are masa mare, comparativ cu masa α -particule
Rutherford a explicat rezultatele experimentului propunând modelul „planetar” al atomului care îl asemăna sistem solar. Conform modelului planetar, în centrul atomului există un nucleu foarte mic, a cărui dimensiune este de aproximativ 100.000 de ori. dimensiuni mai mici atomul însuși. Acest nucleu conține aproape întreaga masă a atomului și poartă o sarcină pozitivă. Electronii se mișcă în jurul nucleului, al cărui număr este determinat de sarcina nucleului. Traiectoria externă a electronilor determină dimensiunile exterioare ale atomului. Diametrul unui atom este de ordinul 10 -8 cm, iar diametrul nucleului este de ordinul 10 -13 ÷10 -12 cm.
Cu cât este mai mare sarcina unui nucleu atomic, cu atât este mai puternică repulsia din partea acestuia α -particulă, cu atât mai des vor apărea cazuri de abateri puternice α -particule care trec prin stratul metalic, din sensul iniţial de mişcare. Prin urmare, experimente de împrăștiere α -particulele fac posibilă nu numai detectarea existenței unui nucleu atomic, ci și determinarea sarcinii acestuia. Deja din experimentele lui Rutherford a rezultat că sarcina nucleului (exprimată în unități de sarcină a electronilor) este numeric egală cu numărul de serie al elementului din tabelul periodic. Acest lucru a fost confirmat G. Moseley, care a stabilit în 1913 o legătură simplă între lungimile de undă ale anumitor linii din spectrul de raze X al unui element și numărul său atomic și D. Chadwick, care în 1920 a determinat cu mare precizie încărcăturile nucleelor atomice ale unui număr de elemente prin împrăștiere α -particule
A fost instalat sens fizic numărul de serie al unui element din tabelul periodic: numărul de serie s-a dovedit a fi cea mai importantă constantă a unui element, exprimând sarcina pozitivă a nucleului atomului său. Din neutralitatea electrică a atomului rezultă că numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului este egal cu numărul atomic al elementului.
Această descoperire a oferit o nouă rațiune pentru aranjarea elementelor în tabelul periodic. În același timp, a eliminat și aparenta contradicție din sistemul Mendeleev - poziția unor elemente cu masă atomică mai mare înaintea elementelor cu masă atomică mai mică (telur și iod, argon și potasiu, cobalt și nichel). S-a dovedit că nu există nicio contradicție aici, deoarece locul unui element în sistem este determinat de sarcina nucleului atomic. Sa stabilit experimental că sarcina nucleară a unui atom de telur este 52, iar cea a unui atom de iod este 53; prin urmare telurul, în ciuda dimensiunilor mari masa atomica, trebuie să stea înaintea iodului. În același mod, sarcinile nucleelor de argon și potasiu, nichel și cobalt corespund pe deplin secvenței de aranjare a acestor elemente în sistem.
Deci, sarcina nucleului atomic este mărimea de bază de care depind proprietățile elementului și poziția sa în tabelul periodic. De aceea legea periodică a lui Mendeleev în prezent poate fi formulată după cum urmează:
Proprietățile elementelor și substanțele simple și complexe pe care le formează depind periodic de sarcina nucleului atomilor elementelor.
Determinarea numerelor de serie ale elementelor prin sarcinile nucleelor atomilor lor a făcut posibilă stabilirea numărului total de locuri în tabelul periodic între hidrogen, care are numărul de serie 1, și uraniu (numărul atomic 92), care la acel moment. a fost considerat ultimul membru al sistemului periodic de elemente. Când a fost creată teoria structurii atomice, locurile 43, 61, 72, 75, 85 și 87 au rămas neocupate, ceea ce indica posibilitatea existenței unor elemente încă nedescoperite. Într-adevăr, în 1922 a fost descoperit elementul hafniu, care a avut loc 72; apoi în 1925 - reniu, care a avut loc 75. Elementele care ar trebui să ocupe restul de patru locuri goale din tabel s-au dovedit a fi radioactive și nu au fost găsite în natură, dar au fost obținute artificial. Noile elemente au fost denumite tehnețiu (numărul de serie 43), prometiu (61), astatin (85) și franciu (87). În prezent, toate celulele tabelului periodic dintre hidrogen și uraniu sunt umplute. Cu toate acestea, ea însăși tabel periodic nu este completă.
Spectrele atomice
Modelul planetar a fost un pas major în teoria structurii atomice. Cu toate acestea, în unele privințe, aceasta a contrazis fapte bine stabilite. Să luăm în considerare două astfel de contradicții.
În primul rând, teoria lui Rutherford nu a putut explica stabilitatea atomului. Un electron care se rotește în jurul unui nucleu încărcat pozitiv trebuie, ca un oscilant sarcina electrica, emit energie electromagnetică sub formă de unde luminoase. Dar prin emiterea de lumină, electronul pierde o parte din energia sa, ceea ce duce la un dezechilibru între forța centrifugă asociată cu rotația electronului și forța de atracție electrostatică a electronului către nucleu. Pentru a restabili echilibrul, electronul trebuie să se apropie de nucleu. Astfel, electronul, emitând continuu energie electromagnetică și mișcându-se în spirală, se va apropia de nucleu. După ce și-a epuizat toată energia, trebuie să „cadă” pe nucleu, iar atomul va înceta să mai existe. Această concluzie contrazice proprietățile reale ale atomilor, care sunt formațiuni stabile și pot exista fără distrugere pentru o perioadă extrem de lungă de timp.
În al doilea rând, modelul lui Rutherford a condus la concluzii incorecte despre natura spectrelor atomice. Când lumina emisă de un corp solid sau lichid fierbinte este trecută printr-o prismă de sticlă sau de cuarț, un așa-numit spectru continuu este observat pe un ecran plasat în spatele prismei, a cărui parte vizibilă este o dungă colorată care conține toate culorile curcubeu. Acest fenomen se explică prin faptul că radiația unui corp solid sau lichid fierbinte constă din unde electromagnetice de diferite frecvențe. Undele de frecvențe diferite sunt refractate diferit de prismă și cad locuri diferite ecran. Set de frecvențe radiatii electromagnetice emis de o substanță se numește spectru de emisie. Pe de altă parte, substanțele absorb radiațiile de anumite frecvențe. Combinația celor din urmă se numește spectrul de absorbție al substanței.
Pentru a obține un spectru, puteți utiliza o rețea de difracție în loc de o prismă. Acesta din urmă este o placă de sticlă, pe suprafața căreia se aplică curse subțiri paralele la o distanță foarte apropiată una de alta (până la 1500 de mișcări pe 1 mm). Trecând printr-un astfel de grătar, lumina se descompune și formează un spectru similar cu cel obținut cu ajutorul unei prisme. Difracția este inerentă oricărei mișcări ondulatorii și servește drept una dintre principalele dovezi ale naturii ondulatorii a luminii.
Când este încălzită, o substanță emite raze (radiații). Dacă radiația are o lungime de undă, atunci se numește monocromatică. În cele mai multe cazuri, radiația este caracterizată de mai multe lungimi de undă.
Când radiația este descompusă în componente monocromatice, se obține un spectru de radiație, în care componentele sale individuale sunt exprimate ca linii spectrale.
Spectrele obținute prin emisie din atomi liberi sau slab legați (de exemplu, în gaze sau vapori) se numesc spectre atomice. Radiația emisă de solide sau lichide oferă întotdeauna un spectru continuu. Radiația emisă de gaze și vapori fierbinți, spre deosebire de radiații solide
Radiația emisă de solide sau lichide oferă întotdeauna un spectru continuu. Radiația emisă de gaze și vapori fierbinți, spre deosebire de radiația de la solide și lichide, conține doar anumite lungimi de undă. Prin urmare, în loc de o dungă continuă pe ecran, obțineți o serie de linii colorate individuale separate de spații întunecate. Numărul și locația acestor linii depind de natura gazului fierbinte sau a aburului. Astfel, vaporii de potasiu dau un spectru format din trei linii - doua rosii si una violeta; în spectrul vaporilor de calciu există mai multe linii roșii, galbene și verzi etc.
Astfel de spectre sunt numite spectre de linii. S-a descoperit că lumina emisă de atomii de gaz are un spectru de linii, în care liniile spectrale pot fi combinate în serie.
În fiecare serie, aranjarea liniilor corespunde unui anumit model. Pot fi descrise frecvențele liniilor individuale Formula lui Balmer:
Faptul că atomii fiecărui element dau un spectru complet definit, inerent numai acestui element, iar intensitatea liniilor spectrale corespunzătoare este mai mare, cu atât mai mare mai mult conținut element dintr-o probă prelevată, este utilizat pe scară largă pentru a determina calitatea și compoziţia cantitativă substanțe și materiale. Această metodă de cercetare se numește analiza spectrală.
Modelul planetar al structurii atomului s-a dovedit a fi incapabil să explice spectrul de linii de emisie a atomilor de hidrogen, cu atât mai puțin combinația de linii spectrale într-o serie. Un electron care se rotește în jurul unui nucleu trebuie să se apropie de nucleu, schimbându-i continuu viteza. Frecvența luminii pe care o emite este determinată de frecvența de rotație a acesteia și, prin urmare, trebuie să se schimbe continuu. Aceasta înseamnă că spectrul de emisie al unui atom trebuie să fie continuu, continuu. Conform acestui model, frecvența de radiație a unui atom trebuie să fie egală cu frecvența mecanică a vibrațiilor sau să fie un multiplu al acesteia, ceea ce nu este de acord cu formula lui Balmer.
Astfel, teoria lui Rutherford nu a putut explica nici existența atomilor stabili, nici prezența spectrelor lor de linii.
Teoria cuantică a luminii În 1900 M. Planck a arătat că capacitatea unui corp încălzit de a emite radiații poate fi descrisă corect cantitativ doar presupunând că energia radiantă este emisă și absorbită de corpuri nu continuu, ci discret, adică. în porții separate - cuante. În același timp, energia E fiecare astfel de porțiune este legată de frecvența radiației printr-o relație numită:
Ecuațiile lui Planck Planck însuși credea că emisia și absorbția luminii de către cuante este o proprietate a corpurilor care emit, și nu radiația în sine, care este capabilă să aibă orice energie și, prin urmare, ar putea fi absorbită continuu. Cu toate acestea, în 1905 Einstein, analizând fenomenul efectului fotoelectric, a ajuns la concluzia că energia electromagnetică (radiantă) există doar sub formă de cuante și că, prin urmare, radiația este un flux de „particule” materiale indivizibile (fotoni), a căror energie este determinat de Ecuația lui Planck.
Efect fotoelectric este emisia de electroni de către un metal sub influența luminii incidente asupra acestuia. Acest fenomen a fost studiat în detaliu în anii 1888-1890. A. G. Stoletov. Dacă puneți instalația în vid și o aplicați pe o înregistrare M potențial negativ, atunci nu se va observa nici un curent în circuit, deoarece în spațiul dintre placă și rețea nu există particule încărcate capabile să transporte curent electric. Dar când placa este iluminată de o sursă de lumină, galvanometrul detectează apariția unui curent (numit fotocurent), ai cărui purtători sunt electronii emiși din metal prin lumină.
S-a dovedit că atunci când se modifică intensitatea luminii, se modifică doar numărul de electroni emisi de metal, adică. puterea fotocurentului. Dar energia cinetică maximă a fiecărui electron emis de metal nu depinde de intensitatea iluminării, ci se modifică numai atunci când se modifică frecvența luminii incidente asupra metalului. Tocmai cu o creștere a lungimii de undă (adică cu o scădere a frecvenței) scade energia electronilor emiși de metal, iar apoi, la o lungime de undă specifică fiecărui metal, efectul fotoelectric dispare și nu apare nici măcar la foarte puțin timp. intensitate luminoasă ridicată. Astfel, atunci când este iluminat cu lumină roșie sau portocalie, sodiul nu prezintă efect fotoelectric și începe să emită electroni doar la o lungime de undă mai mică de 590 nm (lumină galbenă); la litiu, efectul fotoelectric este detectat la lungimi de undă și mai scurte, începând de la 516 nm (lumină verde); iar ejecția electronilor din platină sub influența luminii vizibile nu are loc deloc și începe doar atunci când platina este iradiată cu raze ultraviolete.
Aceste proprietăți ale efectului fotoelectric sunt complet inexplicabile din punctul de vedere al teoriei ondulatorii clasice a luminii, conform căreia efectul ar trebui determinat (pentru un metal dat) doar cantitatea de energie, absorbit de suprafața metalului pe unitatea de timp, dar nu ar trebui să depindă de tipul de radiație incidentă asupra metalului. Cu toate acestea, aceleași proprietăți primesc o explicație simplă și convingătoare dacă presupunem că radiația este formată din porțiuni individuale, fotoni, cu o energie foarte specifică.
De fapt, un electron dintr-un metal este legat de atomii de metal, astfel încât o anumită energie trebuie cheltuită pentru a-l rupe. Dacă fotonul are cantitatea necesară de energie (și energia fotonului este determinată de frecvența radiației), atunci electronul va fi ejectat și se va observa efectul fotoelectric. În procesul de interacțiune cu un metal, fotonul renunță complet la energia sa electronului, deoarece fotonul nu poate fi împărțit în părți. Energia fotonului va fi cheltuită parțial pentru a rupe legătura dintre electron și metal și parțial pentru a conferi energie cinetică de mișcare electronului. Prin urmare, energia cinetică maximă a unui electron scos dintr-un metal nu poate fi mai mare decât diferența dintre energia fotonului și energia de legare a electronului cu atomii metalului. În consecință, odată cu creșterea numărului de fotoni incidenti pe suprafața metalului pe unitatea de timp (adică, cu creșterea intensității iluminării), va crește doar numărul de electroni ejectați din metal, ceea ce va duce la o creștere a fotocurentului. , dar energia fiecărui electron nu va crește. Dacă energia fotonului este mai mică decât energia minimă necesară pentru a ejecta un electron, efectul fotoelectric nu va fi observat pentru nici un număr de fotoni incidenti pe metal, adică. la orice intensitate luminoasă.
Teoria cuantică a luminii, dezvoltat Einstein, a putut explica nu numai proprietățile efectului fotoelectric, ci și modelele acțiunii chimice a luminii, dependența de temperatură a capacității de căldură a solidelor și o serie de alte fenomene. S-a dovedit a fi extrem de util în dezvoltarea ideilor despre structura atomilor și moleculelor.
Din teoria cuantică a luminii rezultă că fotonul este incapabil de fragmentare: interacționează ca un întreg cu electronul metalului, scoțându-l din placă; în ansamblu, ea interacționează cu substanța sensibilă la lumină a filmului fotografic, făcându-l să se întunece într-un anumit punct etc. În acest sens, fotonul se comportă ca o particulă, adică. prezintă proprietăți corpusculare. Cu toate acestea, fotonul are și proprietăți de undă: acest lucru se manifestă în natura ondulatorie a propagării luminii, în capacitatea fotonului de a interfera și de a difracție. Un foton diferă de o particulă în sensul clasic al termenului prin faptul că poziția sa exactă în spațiu, ca și poziția exactă a oricărei unde, nu poate fi specificată. Dar diferă și de valul „clasic” prin incapacitatea sa de a se împărți în părți. Combinând proprietăți corpusculare și ondulatorii, fotonul nu este, strict vorbind, nici o particulă, nici o undă - este caracterizat de dualitatea corpuscular-undă.
Primele informații despre complex structura atomica au fost obținute prin studierea proceselor de trecere curent electric prin lichide. În anii treizeci ai secolului al XIX-lea. Experimentele remarcabilului fizician M. Faraday au sugerat că electricitatea există sub formă de sarcini unitare separate.
Descoperirea dezintegrarii spontane a atomilor unor elemente, numita radioactivitate, a devenit o dovada directa a complexitatii structurii atomului. În 1902, oamenii de știință englezi Ernest Rutherford și Frederick Soddy au demonstrat că în timpul dezintegrarii radioactive, un atom de uraniu se transformă în doi atomi - un atom de toriu și un atom de heliu. Aceasta însemna că atomii nu erau particule imuabile, indestructibile.
Modelul atomic al lui Rutherford
Studiind trecerea unui fascicul îngust de particule alfa prin straturi subțiri de materie, Rutherford a descoperit că majoritatea particulelor alfa trec printr-o folie metalică formată din multe mii de straturi de atomi fără a se abate de la direcția inițială, fără a experimenta împrăștiere, ca și cum ar exista nu erau obiecte în calea lor, nici obstacole. Cu toate acestea, unele particule au fost deviate la unghiuri mari, experimentând acțiunea unor forțe mari.
Pe baza rezultatelor experimentelor privind observarea împrăștierii particulelor alfa în materie Rutherford a propus un model planetar al structurii atomului. Conform acestui model Structura atomului este similară cu structura sistemului solar.În centrul fiecărui atom există nucleu încărcat pozitiv raza ≈ 10 -10 m ca pe orbita planetelor electroni încărcați negativ. Aproape toată masa este concentrată în nucleul atomic. Particulele alfa pot trece prin mii de straturi de atomi fără a se împrăștia, deoarece cea mai mare parte a spațiului din interiorul atomilor este gol, iar coliziunile cu electronii ușori au un efect redus asupra mișcării unei particule alfa grele. Particulele alfa sunt împrăștiate în timpul coliziunilor cu nucleele atomice.
Modelul atomic al lui Rutherford nu a putut explica toate proprietățile atomilor.
Conform legilor fizicii clasice, un atom dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni care se rotesc pe orbite circulare ar trebui să emită unde electromagnetice. Emisia de unde electromagnetice ar trebui să conducă la o scădere a rezervei de energie potențială în sistemul nucleu-electron, la o scădere treptată a razei orbitei electronului și la căderea electronului pe nucleu. Cu toate acestea, atomii de obicei nu emit unde electromagnetice, electronii nu cad pe nucleele atomice, adică atomii sunt stabili.
Postulatele cuantice ale lui N. Bohr
Pentru a explica stabilitatea atomilor Niels Bohr a propus să abandoneze conceptele și legile clasice obișnuite atunci când explică proprietățile atomilor.
Proprietățile de bază ale atomilor primesc o explicație calitativă consistentă pe baza acceptării postulate cuantice ale lui N. Bohr.
1. Electronul se rotește în jurul nucleului doar pe orbite circulare strict definite (staționare).
2. Un sistem atomic nu poate fi decât în anumite stări staționare sau cuantice, fiecare dintre acestea corespunzând unei anumite energii E. Un atom nu emite energie în stări staționare.
Starea staționară a atomului cu rezervă minimă de energie se numește starea de bază, toate celelalte state sunt numite stări excitate (cuantice). Un atom poate rămâne în starea fundamentală pentru o perioadă de timp infinit de lungă, durata de viață a unui atom în stare excitată durează 10 -9 -10 -7 secunde.
3. Emisia sau absorbția de energie are loc numai atunci când un atom trece de la o stare staționară la alta. Energia unui cuantum de radiație electromagnetică în timpul tranziției de la o stare staționară cu energie E mîntr-o stare de energie E n egal cu diferența dintre energiile unui atom în două stări cuantice:
∆E = E m – E n = hv,
Unde v– frecvența radiațiilor, h= 2ph = 6,62 ∙ 10 -34 J ∙s.
Modelul cuantic al structurii atomice
Ulterior, unele prevederi ale teoriei lui N. Bohr au fost completate și regândite. Cea mai semnificativă schimbare a fost introducerea conceptului de nor de electroni, care a înlocuit conceptul de electron doar ca particule. Mai târziu, teoria lui Bohr a fost înlocuită cu teoria cuantică, care ia în considerare proprietățile undei ale electronului și ale altor particule elementare, formând un atom.
bază teoria modernă structura atomica este un model planetar, completat și îmbunătățit. Conform acestei teorii, nucleul unui atom este format din protoni (particule încărcate pozitiv) și neuroni (particule fără sarcină). Și în jurul nucleului electronii (particule încărcate negativ) se mișcă pe traiectorii nedefinite.
Mai ai întrebări? Doriți să aflați mai multe despre modelele de structură atomică?
Pentru a obține ajutor de la un tutor, înregistrați-vă.
Prima lecție este gratuită!
site-ul web, atunci când copiați materialul integral sau parțial, este necesar un link către sursă.
Primul model al structurii atomului a fost propus de J. Thomson în 1904, conform căruia atomul este o sferă încărcată pozitiv cu electroni încorporați în el. În ciuda imperfecțiunilor sale, modelul Thomson a făcut posibilă explicarea fenomenelor de emisie, absorbție și împrăștiere a luminii de către atomi, precum și stabilirea numărului de electroni din atomii elementelor ușoare.
Orez. 1. Atom, după modelul lui Thomson. Electronii sunt ținuți în interiorul unei sfere încărcate pozitiv prin forțe elastice. Aceia dintre ei care se află la suprafață pot fi ușor „eliminați”, lăsând un atom ionizat.
2.2 Modelul Rutherford
Modelul lui Thomson a fost infirmat de E. Rutherford (1911), care a demonstrat că sarcina pozitivă și aproape întreaga masă a unui atom sunt concentrate într-o mică parte din volumul său - nucleul, în jurul căruia se mișcă electronii (Fig. 2).
Orez. 2. Acest model de structură atomică este cunoscut ca planetar deoarece electronii se învârt în jurul nucleului la fel ca planetele sistemului solar.
Conform legilor electrodinamicii clasice, mișcarea unui electron într-un cerc în jurul nucleului va fi stabilă dacă forța de atracție a lui Coulomb este egală cu forța centrifugă. Cu toate acestea, în conformitate cu teoria câmpului electromagnetic, electronii în acest caz ar trebui să se miște în spirală, emitând energie în mod continuu și să cadă pe nucleu. Cu toate acestea, atomul este stabil.
În plus, cu radiația continuă de energie, atomul trebuie să prezinte un spectru continuu, continuu. De fapt, spectrul unui atom este format din linii individuale și serii.
Astfel, acest model contrazice legile electrodinamicii și nu explică natura liniei spectrului atomic.
2.3. Modelul Bohr
În 1913, N. Bohr și-a propus teoria structurii atomice, fără a nega complet ideile anterioare. Bohr și-a bazat teoria pe două postulate.
Primul postulat spune că un electron se poate roti în jurul nucleului doar pe anumite orbite staționare. Pe ele, nu emite sau absoarbe energie (Fig. 3).
Orez. 3. Modelul structurii atomului Bohr. Schimbarea stării unui atom atunci când un electron se deplasează de pe o orbită pe alta.
Când se deplasează de-a lungul oricărei orbite staționare, rezerva de energie a electronului (E 1, E 2 ...) rămâne constantă. Cu cât orbita este mai aproape de nucleu, cu atât este mai mică rezerva de energie a electronului E 1 ˂ E 2 …˂ E n . Energia electronilor pe orbite este determinată de ecuația:
unde m este masa electronului, h este constanta lui Planck, n – 1, 2, 3... (n=1 pentru prima orbită, n=2 pentru a doua, etc.).
Al doilea postulat spune că atunci când se deplasează de pe o orbită pe alta, un electron absoarbe sau eliberează o cuantică (porțiune) de energie.
Dacă atomii sunt expuși influenței (încălzire, iradiere etc.), atunci electronul poate absorbi o cantitate de energie și se poate deplasa pe o orbită mai îndepărtată de nucleu (Fig. 3). În acest caz, vorbim de o stare excitată a atomului. În timpul tranziției inverse a electronului (la o orbită mai aproape de nucleu), energia este eliberată sub forma unui cuantum de energie radiantă - un foton. Acest lucru este indicat de o linie specifică din spectru. Pe baza formulei
,
unde λ este lungimea de undă, n = numere cuantice care caracterizează orbitele apropiate și îndepărtate, Bohr a calculat lungimile de undă pentru toate seriile din spectrul atomului de hidrogen. Rezultatele obţinute au fost în concordanţă cu datele experimentale. Originea spectrelor de linii discontinue a devenit clară. Ele sunt rezultatul emisiei de energie de către atomi în timpul tranziției electronilor de la o stare excitată la o stare staționară. Tranzițiile electronilor către prima orbită formează un grup de frecvență din seria Lyman, către a doua – seria Balmer și către a treia serie Paschen (Fig. 4, Tabelul 1).
Orez. 4. Corespondența dintre tranzițiile electronice și liniile spectrale ale atomului de hidrogen.
Tabelul 1
Verificarea formulei lui Bohr pentru seria spectrului de hidrogen
Cu toate acestea, teoria lui Bohr nu a putut explica divizarea liniilor din spectrele atomilor multielectroni. Bohr a pornit de la faptul că electronul este o particulă și a folosit legile caracteristice particulelor pentru a descrie electronul. În același timp, s-au acumulat fapte care indică faptul că electronul este, de asemenea, capabil să prezinte proprietăți de undă. Mecanica clasică nu a putut explica mișcarea micro-obiectelor care posedă simultan proprietățile particulelor materiale și proprietățile unei unde. Această problemă a fost rezolvată de mecanica cuantică - o teorie fizică care studiază modelele generale de mișcare și interacțiune ale microparticulelor cu masă foarte mică (Tabelul 2).
Tabelul 2
Proprietățile particulelor elementare care formează un atom