Модель атома Резерфорда і Бора (стр. 1 из 3)

На протязі всього існування цивілізації людство робило спроби систематизувати знання про будову матерії. Аристотель вважав, що кожне тіло в своїй основі має чотири стихії: Воду, Вогонь, Повітря і Землю. Властивості тіл залежать від кількості співвідношення цих стихій в кожному з них. Цей погляд на будову матерії проіснував практично без змін до часів середньовічних алхіміків. А докладні відповіді на всі питання людство не отримало і до тепер.

Однак, за останні сто років вченим вдалося сформулювати декілька теорій будови атома, які, можливо, не далекі від істини. Вже в далекому минулому філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Деякі з них стверджували, що речовина складається з дрібних часток, названих атомами. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М.В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.

Періодичний закон Д.І. Менделєєва показує існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Це говорить про те що в основі всіх атомів лежить щось загальне. До кінця XIX століття в хімії панувало переконання, що атом є найменша неподільна частка простої речовини. Вважалося, що при всіх хімічних перетвореннях руйнуються і створюються тільки молекули, атоми ж залишаються незмінними і не можуть дробитися на частини. І нарешті наприкінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 р., після того як була остаточно встановлена природа катодних променів, як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. Факт виділення електронів найрізноманітнішими речовинами приводив до висновку, що електрони входять до складу всіх атомів. Але атом, як відомо, електрично нейтральний, з цього випливало, що в його сполуку повинна була входити ще одна складова частина, що врівноважувала суму негативних зарядів електронів. Ця позитивно заряджена частина атома була відкрита в 1911 р. Резерфордом при дослідженні руху a- частинок у газах і інших речовинах.

Першим сучасну атомістичну теорію висунув Джон Дальтон. Він допустив, що кожен хімічний елемент складається з атомів, однакових за розмірами та масою. В 1895році Вільгельм Рентген відкрив х-промені (отримав за це відкриття Нобелівську премію), яким потім була дана назва рентгенівського випромінення. А в наступному році Антуан Анрі Беккерель показав, що сіль урану самовільно випромінює непомітне випромінення. Це явище отримало назву радіоактивність. Ці та інші дослідження підготували грунт для відкриття субатомних частинок.

1. Досліди Резерфорда .

1.1. Відкриття субатомних частинок.

Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. В 1897 році Джозеф Джон Томсон відкрив електрон і визначив його питомий заряд та відносну масу.

Заряд: е =1,602*10^-19 Кл., m_е = 9,110*10^-28г.

Після відкриття електрона Томсон запропонував модель атома в якій електрони знаходяться всередині атома. Ця модель отримала назву “сливовий періг” і була дуже далека від реального стану речей. Вона відображала тільки кількісний склад атома, але не положення електронів та ядра в атомі.

Протон був другим в черзі відкритих частинок.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

В 1899р. Ернест Резерфорд відкрив радіоактивне a- і b-випромінення.

Е. Резерфорд народився в Новій Зеландії 1871р. в двадцять сім років став професором фізики в Університеті Мак-Гілла в Монреалі. В 1907р. Резерфорд переїхав до Англії. В 1908 р. ним отримана Нобелівська премія за дослідження радіоактивності. В 1914 р. за англійським звичаєм був посвячений в рицарі, а в 1931 р. отримав звання пера. Помер в 1937 р. Резерфорд, без сумніву, є одним з видатніших вчених ХХст.

В 1910 р. учні Резерфорда Ханс Гейгер і Ернест Марсден провели експеримент, який дозволив пояснити існування ядра в атомі. Вони бомбардували тонкі листки золотої фольги a-частинками. Після цього досліду Резерфорд передбачив існування і природу протона.

Нейтрон. Експериментально був відкритий у 1932 р. Дж. Чедвіком, але його існування було передбачене Резерфордом, ще в 1920 р. Нейтрон не має заряду, чому і завдячує своєю назвою.

Після відкриття субатомних частинок Резерфорд запропонував свою модель будови атома..

1.2. Модель атома Резерфорда.

При вивченні α-часток Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання α-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.

7 березня 1911 року Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь “Розсіювання α і β-променів і будова атома”. У доповіді він, зокрема, говорив: “Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, що складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої α і β-частки, коли вони проходять на близькій відстані від центра атома, отримують великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала”. Бомбардування золотої фольги α-частинками проводили на такому пристрої.

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ±Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. “Точне значення заряду центрального ядра не було визначено,- писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду”. З наступних досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, що почали перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро, як стійку частину атома, що несе в собі майже всю масу атома й позитивним зарядом (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним). При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: ”Із самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом...”

Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора, у яких вчення про будову атома нерозривно пов’язується з вченням про походження спектрів.

Бор (Bohr) Нільс Хенрік Давид (1885-1962)

Лінійні спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими газами чи парами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне числоліній (у заліза до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри.

Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.

Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи “Про серійний спектр водню” і “Про квантову теорію випромінювання в структурі атома”. У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.

У 1936 році Бор виступив зі статтею “Захоплення нейтрона і будова ядра”, у якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказується краплинною моделлю, поки на початку 1939 р. не був відкритий розподіл урану.