Τα πειράματα του Rutherford στη μελέτη της σκέδασης. Πείραμα σκέδασης σωματιδίων άλφα. Άλλες ανακαλύψεις έγιναν στη διαδικασία μελέτης του ατόμου

39. Πείραμα στη σκέδαση σωματιδίων άλφα.

Η πρώτη προσπάθεια δημιουργίας ενός μοντέλου του ατόμου που βασίζεται σε συσσωρευμένα πειραματικά δεδομένα (1903) ανήκει στον J. Thomson. Πίστευε ότι το άτομο είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σφαιρικό σύστημα με ακτίνα περίπου 10–10 μ. Το θετικό φορτίο του ατόμου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο σε ολόκληρο τον όγκο της μπάλας και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια βρίσκονται μέσα σε αυτήν (Εικ. 6.1 .1). Για να εξηγήσει τα γραμμικά φάσματα εκπομπής των ατόμων, ο Thomson προσπάθησε να προσδιορίσει τη θέση των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο και να υπολογίσει τις συχνότητες των δονήσεων τους γύρω από τις θέσεις ισορροπίας. Ωστόσο, αυτές οι προσπάθειες ήταν ανεπιτυχείς. Λίγα χρόνια αργότερα, στα πειράματα του μεγάλου Άγγλου φυσικού E. Rutherford, αποδείχθηκε ότι το μοντέλο του Thomson ήταν λανθασμένο.

Εικόνα 6.1.1.

Το μοντέλο του ατόμου του J. Thomson

Τα πρώτα άμεσα πειράματα για τη μελέτη της εσωτερικής δομής των ατόμων πραγματοποιήθηκαν από τον E. Rutherford και τους συνεργάτες του E. Marsden και H. Geiger το 1909–1911. Ο Ράδερφορντ πρότεινε τη χρήση ατομικής ανίχνευσης με χρήση σωματιδίων α, τα οποία προκύπτουν κατά τη ραδιενεργή διάσπαση του ραδίου και ορισμένων άλλων στοιχείων. Η μάζα των σωματιδίων άλφα είναι περίπου 7300 φορές η μάζα ενός ηλεκτρονίου και το θετικό φορτίο είναι ίσο με το διπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου. Στα πειράματά του, ο Rutherford χρησιμοποίησε σωματίδια α με κινητική ενέργεια περίπου 5 MeV (η ταχύτητα τέτοιων σωματιδίων είναι πολύ υψηλή - περίπου 107 m/s, αλλά εξακολουθεί να είναι σημαντικά μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός). Τα σωματίδια α είναι πλήρως ιονισμένα άτομα ηλίου. Ανακαλύφθηκαν από τον Ράδερφορντ το 1899 ενώ μελετούσε το φαινόμενο της ραδιενέργειας. Ο Ράδερφορντ βομβάρδισε άτομα βαρέων στοιχείων (χρυσό, ασήμι, χαλκό κ.λπ.) με αυτά τα σωματίδια. Τα ηλεκτρόνια που αποτελούν τα άτομα, λόγω της μικρής τους μάζας, δεν μπορούν να αλλάξουν αισθητά την τροχιά του σωματιδίου α. Η σκέδαση, δηλαδή η αλλαγή στην κατεύθυνση της κίνησης των σωματιδίων α, μπορεί να προκληθεί μόνο από το βαρύ, θετικά φορτισμένο μέρος του ατόμου. Το διάγραμμα του πειράματος του Rutherford φαίνεται στο Σχ. 6.1.2.

Εικόνα 6.1.2.

Σχήμα του πειράματος του Rutherford για τη σκέδαση σωματιδίων α. K – δοχείο μολύβδου με ραδιενεργό ουσία, E – πλέγμα επικαλυμμένο με θειούχο ψευδάργυρο, F – φύλλο χρυσού, M – μικροσκόπιο)

Από μια ραδιενεργή πηγή κλεισμένη σε ένα δοχείο μολύβδου, τα σωματίδια άλφα κατευθύνθηκαν σε ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο. Διάσπαρτα σωματίδια έπεσαν σε μια οθόνη καλυμμένη με ένα στρώμα κρυστάλλων θειούχου ψευδαργύρου, ικανούς να λάμπουν όταν χτυπηθούν από γρήγορα φορτισμένα σωματίδια. Οι σπινθηρισμοί (φλας) στην οθόνη παρατηρήθηκαν με το μάτι χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο. Οι παρατηρήσεις των διασκορπισμένων σωματιδίων α στο πείραμα του Rutherford θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν σε διαφορετικές γωνίες φ ως προς την αρχική διεύθυνση της δέσμης. Διαπιστώθηκε ότι τα περισσότερα σωματίδια α περνούν μέσα από ένα λεπτό στρώμα μετάλλου με μικρή ή καθόλου παραμόρφωση. Ωστόσο, ένα μικρό μέρος των σωματιδίων εκτρέπεται σε σημαντικές γωνίες που υπερβαίνουν τις 30°. Πολύ σπάνια σωματίδια άλφα (περίπου ένα στις δέκα χιλιάδες) εκτρέπονταν σε γωνίες κοντά στις 180°.

Αυτό το αποτέλεσμα ήταν εντελώς απροσδόκητο ακόμη και για τον Ράδερφορντ. Οι ιδέες του ήταν σε έντονη αντίφαση με το μοντέλο του ατόμου του Thomson, σύμφωνα με το οποίο το θετικό φορτίο κατανέμεται σε ολόκληρο τον όγκο του ατόμου. Με μια τέτοια κατανομή, το θετικό φορτίο δεν μπορεί να δημιουργήσει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να πετάξει τα σωματίδια α πίσω. Το ηλεκτρικό πεδίο μιας ομοιόμορφης φορτισμένης μπάλας είναι μέγιστο στην επιφάνειά της και μειώνεται στο μηδέν καθώς πλησιάζει το κέντρο της μπάλας. Εάν η ακτίνα της σφαίρας στην οποία συγκεντρώνεται όλο το θετικό φορτίο του ατόμου μειωθεί κατά n φορές, τότε η μέγιστη απωστική δύναμη που ασκεί το σωματίδιο α θα αυξηθεί κατά n2 φορές σύμφωνα με το νόμο του Coulomb. Κατά συνέπεια, για μια αρκετά μεγάλη τιμή του n, τα σωματίδια άλφα θα μπορούσαν να υποστούν σκέδαση σε μεγάλες γωνίες έως και 180°. Αυτές οι σκέψεις οδήγησαν τον Ρόδερφορντ στο συμπέρασμα ότι το άτομο είναι σχεδόν άδειο και όλο το θετικό του φορτίο συγκεντρώνεται σε μικρό όγκο. Ο Ράδερφορντ ονόμασε αυτό το τμήμα του ατόμου ατομικό πυρήνα. Έτσι προέκυψε το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου. Ρύζι. Το 6.1.3 απεικονίζει τη σκέδαση ενός σωματιδίου α σε ένα άτομο Thomson και σε ένα άτομο Rutherford.

Ο Ernest Rutherford είναι ένας από τους ιδρυτές του θεμελιώδους δόγματος της εσωτερικής δομής του ατόμου. Ο επιστήμονας γεννήθηκε στην Αγγλία, σε οικογένεια μεταναστών από τη Σκωτία. Ο Ράδερφορντ ήταν το τέταρτο παιδί της οικογένειάς του και αποδείχτηκε το πιο ταλαντούχο. Κατάφερε να συνεισφέρει ιδιαίτερα στη θεωρία της ατομικής δομής.

Αρχικές ιδέες για τη δομή του ατόμου

Πρέπει να σημειωθεί ότι πριν πραγματοποιηθεί το περίφημο πείραμα του Ράδερφορντ για τη σκέδαση των σωματιδίων άλφα, η κυρίαρχη ιδέα εκείνη την εποχή για τη δομή του ατόμου ήταν το μοντέλο Thompson. Αυτός ο επιστήμονας ήταν σίγουρος ότι το θετικό φορτίο γέμιζε ομοιόμορφα ολόκληρο τον όγκο του ατόμου. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, πίστευε ο Thompson, ήταν σαν να ήταν διάσπαρτα μαζί του.

Προϋποθέσεις για μια επιστημονική επανάσταση

Μετά την αποφοίτησή του από το σχολείο, ο Ράδερφορντ, ως ο πιο ταλαντούχος μαθητής, έλαβε επιχορήγηση 50 λιρών για περαιτέρω εκπαίδευση. Χάρη σε αυτό, μπόρεσε να πάει στο κολέγιο στη Νέα Ζηλανδία. Στη συνέχεια, ο νεαρός επιστήμονας περνάει εξετάσεις στο Πανεπιστήμιο του Canterbury και αρχίζει να σπουδάζει σοβαρά φυσική και χημεία. Το 1891, ο Ράδερφορντ έκανε την πρώτη του ομιλία με θέμα «Η Εξέλιξη των Στοιχείων». Για πρώτη φορά στην ιστορία, περιέγραψε την ιδέα ότι τα άτομα είναι πολύπλοκες δομές.

Εκείνη την εποχή, η ιδέα του Dalton ότι τα άτομα ήταν αδιαίρετα κυριαρχούσε στους επιστημονικούς κύκλους. Σε όλους γύρω από τον Ράδερφορντ, η ιδέα του φαινόταν εντελώς τρελή. Ο νεαρός επιστήμονας έπρεπε να ζητά συνεχώς συγγνώμη από τους συναδέλφους του για τις «ανοησίες» του. Αλλά μετά από 12 χρόνια, ο Rutherford κατάφερε ακόμα να αποδείξει ότι είχε δίκιο. Ο Rutherford είχε την ευκαιρία να συνεχίσει την έρευνά του στο Cavendish Laboratory στην Αγγλία, όπου άρχισε να μελετά τις διαδικασίες ιονισμού του αέρα. Η πρώτη ανακάλυψη του Rutherford ήταν οι ακτίνες άλφα και βήτα.

Η εμπειρία του Ράδερφορντ

Η ανακάλυψη μπορεί να περιγραφεί εν συντομία ως εξής: το 1912, ο Ράδερφορντ, μαζί με τους βοηθούς του, διεξήγαγαν το διάσημο πείραμά του - σωματίδια άλφα εκπέμπονταν από μια πηγή μολύβδου. Όλα τα σωματίδια, εκτός από αυτά που απορροφήθηκαν από τον μόλυβδο, κινήθηκαν κατά μήκος του εγκατεστημένου καναλιού. Το στενό τους ρυάκι έπεσε πάνω σε ένα λεπτό στρώμα φύλλου. Αυτή η γραμμή ήταν κάθετη στο φύλλο. Το πείραμα του Ράδερφορντ για τη σκέδαση σωματιδίων άλφα απέδειξε ότι εκείνα τα σωματίδια που περνούσαν ακριβώς μέσα από ένα φύλλο αλουμινίου προκαλούσαν τους λεγόμενους σπινθηρισμούς στην οθόνη.

Αυτή η οθόνη ήταν επικαλυμμένη με μια ειδική ουσία που άρχισε να λάμπει όταν χτυπούσαν σωματίδια άλφα. Ο χώρος μεταξύ του στρώματος και της οθόνης γέμισε με κενό για να αποτρέψει τα σωματίδια άλφα από τη διασπορά στον αέρα. Μια τέτοια συσκευή επέτρεψε στους ερευνητές να παρατηρήσουν τα σωματίδια που διασκορπίζονται υπό γωνία περίπου 150°.

Εάν το φύλλο δεν χρησιμοποιήθηκε ως εμπόδιο μπροστά από τη δέσμη των σωματιδίων άλφα, τότε σχηματίστηκε ένας ελαφρύς κύκλος σπινθηρισμών στην οθόνη. Μόλις όμως τοποθετήθηκε ένα φράγμα από χρυσό φύλλο μπροστά στο δοκάρι τους, η εικόνα άλλαξε πολύ. Οι λάμψεις εμφανίστηκαν όχι μόνο έξω από αυτόν τον κύκλο, αλλά και στην αντίθετη πλευρά του φύλλου. Το πείραμα του Ράδερφορντ για τη σκέδαση σωματιδίων άλφα έδειξε ότι τα περισσότερα σωματίδια πέρασαν μέσα από το φύλλο χωρίς αισθητές αλλαγές στην τροχιά τους.

Σε αυτή την περίπτωση, ορισμένα σωματίδια εκτρέπονταν σε μια μάλλον μεγάλη γωνία και μάλιστα πετάχτηκαν πίσω. Για κάθε 10.000 σωματίδια που περνούν ελεύθερα από ένα στρώμα φύλλου χρυσού, μόνο ένα εκτρέπεται από γωνία άνω των 10° - κατ' εξαίρεση, ένα από τα σωματίδια εκτρέπεται από μια τέτοια γωνία.

Ο λόγος για τον οποίο τα σωματίδια άλφα εκτρέπονταν

Αυτό που εξέτασε και απέδειξε λεπτομερώς το πείραμα του Ράδερφορντ είναι η δομή του ατόμου. Αυτή η κατάσταση έδειξε ότι το άτομο δεν είναι ένας συνεχής σχηματισμός. Τα περισσότερα σωματίδια περνούσαν ελεύθερα μέσα από το φύλλο πάχους ενός ατόμου. Και δεδομένου ότι η μάζα ενός σωματιδίου άλφα είναι σχεδόν 8.000 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, το τελευταίο δεν θα μπορούσε να επηρεάσει σημαντικά την τροχιά του σωματιδίου άλφα. Αυτό θα μπορούσε να γίνει μόνο από τον ατομικό πυρήνα - ένα σώμα μικρού μεγέθους, που διαθέτει σχεδόν όλη τη μάζα και όλο το ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου. Εκείνη την εποχή, αυτό έγινε μια σημαντική ανακάλυψη για τον Άγγλο φυσικό. Η εμπειρία του Ράδερφορντ θεωρείται ένα από τα πιο σημαντικά βήματα στην ανάπτυξη της επιστήμης της εσωτερικής δομής του ατόμου.

Άλλες ανακαλύψεις έγιναν στη διαδικασία μελέτης του ατόμου

Αυτές οι μελέτες παρείχαν άμεσες αποδείξεις ότι το θετικό φορτίο ενός ατόμου βρίσκεται μέσα στον πυρήνα του. Ο χώρος αυτός καταλαμβάνει πολύ μικρό χώρο σε σχέση με τις συνολικές του διαστάσεις. Σε τόσο μικρό όγκο, η διασπορά των σωματιδίων άλφα αποδείχθηκε πολύ απίθανη. Και εκείνα τα σωματίδια που πέρασαν κοντά στην περιοχή του ατομικού πυρήνα παρουσίασαν έντονες αποκλίσεις από την τροχιά, επειδή οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ του σωματιδίου άλφα και του ατομικού πυρήνα ήταν πολύ ισχυρές. Το πείραμα σκέδασης σωματιδίων άλφα του Ράδερφορντ απέδειξε την πιθανότητα ένα σωματίδιο άλφα να χτυπήσει απευθείας τον πυρήνα. Είναι αλήθεια ότι η πιθανότητα ήταν πολύ μικρή, αλλά και πάλι όχι μηδενική.

Αυτό δεν ήταν το μόνο γεγονός που απέδειξε η εμπειρία του Ράδερφορντ. Η δομή του ατόμου μελετήθηκε εν συντομία από τους συναδέλφους του, οι οποίοι έκαναν μια σειρά από άλλες σημαντικές ανακαλύψεις. Εκτός από τη διδασκαλία ότι τα σωματίδια άλφα είναι γρήγορα κινούμενοι πυρήνες ηλίου.

Ο επιστήμονας μπόρεσε να περιγράψει τη δομή ενός ατόμου στο οποίο ο πυρήνας καταλαμβάνει ένα μικρό μέρος του συνολικού όγκου. Τα πειράματά του απέδειξαν ότι σχεδόν ολόκληρο το φορτίο ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένο μέσα στον πυρήνα του. Σε αυτή την περίπτωση συμβαίνουν τόσο περιπτώσεις εκτροπής σωματιδίων άλφα όσο και περιπτώσεις σύγκρουσής τους με τον πυρήνα.

Τα πειράματα του Rutherford: πυρηνικό μοντέλο του ατόμου

Το 1911, ο Rutherford, μετά από πολυάριθμες μελέτες, πρότεινε τις οποίες ονόμασε πλανητικό. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, μέσα στο άτομο υπάρχει ένας πυρήνας που περιέχει σχεδόν ολόκληρη τη μάζα του σωματιδίου. Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα με παρόμοιο τρόπο με τον τρόπο που κινούνται οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Από το συνδυασμό τους σχηματίζεται ένα λεγόμενο σύννεφο ηλεκτρονίων. Το άτομο έχει ουδέτερο φορτίο, όπως έδειξε το πείραμα του Ράδερφορντ.

Η δομή του ατόμου άρχισε αργότερα να ενδιαφέρει έναν επιστήμονα ονόματι Niels Bohr. Ήταν αυτός που οριστικοποίησε τη διδασκαλία του Ράδερφορντ, γιατί πριν από τον Μπορ το πλανητικό μοντέλο του ατόμου άρχισε να αντιμετωπίζει δυσκολίες εξήγησης. Δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο κινείται γύρω από τον πυρήνα σε μια ορισμένη τροχιά με επιτάχυνση, αργά ή γρήγορα πρέπει να πέσει στον πυρήνα του ατόμου. Ωστόσο, ο Niels Bohr μπόρεσε να αποδείξει ότι μέσα στο άτομο δεν ισχύουν πλέον οι νόμοι της κλασικής μηχανικής.

Πείραμα σκέδασης σωματιδίων άλφα του Rutherford

Η βάση των σύγχρονων ιδεών για τη δομή του ατόμου ήταν τα πειράματα του Ράδερφορντ για τη σκέδαση των σωματιδίων. - τα σωματίδια προκύπτουν κατά τη διαδικασία της ραδιενεργής διάσπασης, το φορτίο τους είναι θετικό και ίσο με το διπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου. Η κινητική ενέργεια και η ταχύτητα των σωματιδίων είναι υψηλές:

Στα πειράματα του Ράδερφορντ, μια στενή δέσμη σωματιδίων που εκπέμπεται από τη ραδιενεργή ουσία P, που εκπέμπεται από μια τρύπα (Εικ. 39), έπεσε σε ένα πολύ λεπτό μεταλλικό φύλλο F. Συνέβη σκέδαση σωματιδίων στα άτομα του φύλλου. Γύρω από το φύλλο τοποθετήθηκε πλέγμα Ε από θειούχο ψευδάργυρο. Όταν ένα σωματίδιο χτύπησε αυτή την οθόνη, έδωσε μια λάμψη φωτός - σπινθηρισμός (γι' αυτό οι οθόνες αυτές ονομάζονται οθόνες σπινθηρισμού), το οποίο καταγράφηκε χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο M. Η θέση της οθόνης και του τηλεσκοπίου μπορούσε να ρυθμιστεί σε οποιαδήποτε γωνία προς την κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης - σωματίδια. Έτσι, ήταν δυνατό να μετρηθεί ο αριθμός των σωματιδίων που διαδίδονται σε διαφορετικές γωνίες.

Ρύζι. 39. Το πείραμα του Ράδερφορντ

Αποδείχθηκε ότι τα σωματίδια μπορούν είτε να περάσουν από το φύλλο σε ευθεία γραμμή είτε να ανακληθούν πλήρως από αυτό. Η πλειοψηφία
- τα σωματίδια αποκλίνουν από ευθεία διαδρομή σε γωνίες όχι μεγαλύτερες από 1-2 μοίρες. Αλλά ένα μικρό κλάσμα σωματιδίων παρέκκλινε σε σημαντικά μεγαλύτερες γωνίες - έτσι, ένα σωματίδιο στα 20.000 επιστρέφει πίσω ().

Με βάση τα θεωρούμενα πειραματικά αποτελέσματα, το 1911 ο Ράδερφορντ πρότεινε το δικό του πυρηνικό (πλανητικό) μοντέλο του ατόμου. Σύμφωνα με τον Rutherford, στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ένας θετικά φορτισμένος (+Ze) πυρήνας (ακτίνα πυρήνα ~ 10 -13 cm), γύρω από τα οποία βρίσκονται Ζ ηλεκτρόνια. Η μάζα του πυρήνα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα των ηλεκτρονίων.

Το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου κατέστησε δυνατή την εξήγηση της απόκλισης των σωματιδίων από μια ευθύγραμμη τροχιά που παρατηρήθηκε στο πείραμα του Ράδερφορντ: Οι δυνάμεις απώθησης του Κουλόμπ προκύπτουν μεταξύ θετικά φορτισμένων σωματιδίων και θετικά φορτισμένου πυρήνα .

Ωστόσο, η πειραματική επιβεβαίωση του πυρηνικού μοντέλου του ατόμου που πρότεινε ο Ράδερφορντ, δεν επέλυσε τις αντιφάσεις αυτού του μοντέλου με τους νόμους της κλασικής μηχανικής και ηλεκτροδυναμικής.

Αντίφαση 1: δεδομένου ότι το σύστημα των σταθερών ηλεκτρικών φορτίων είναι ασταθές, ο Rutherford πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια δεν είναι στατικά, αλλά κινούνται γύρω από τον πυρήνα. που σημαίνει ότι έχουν κεντρομόλο επιτάχυνση. Αλλά την ίδια στιγμή, σύμφωνα με τις έννοιες της κλασικής φυσικής, ένα ηλεκτρόνιο, όπως κάθε επιταχυνόμενο κινούμενο φορτίο, πρέπει να εκπέμπει συνεχώς ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Εν τω μεταξύ, στην κανονική κατάσταση, τα άτομα δεν εκπέμπουν.

Αντίφαση 2: χάνοντας ενέργεια κατά τη διαδικασία εκπομπής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, το ηλεκτρόνιο πρέπει τελικά να πέσει στον πυρήνα (εκτιμώμενος χρόνος πτώσης ~ 10 -8 s.). Κατά συνέπεια, σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford, το άτομο είναι ένα ασταθές σύστημα, το οποίο έρχεται σε αντίθεση με την πραγματικότητα.

Αντίφαση 3: σύμφωνα με τον Rutherford, τα ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από τον πυρήνα συγκρατούνται από δυνάμεις Coulomb:

πού είναι το πυρηνικό φορτίο, Μ – μάζα ηλεκτρονίων, – η ταχύτητά του, r – ακτίνα τροχιάς. Από την ακτίνα r δεν επιβάλλονται περιορισμοί· η ταχύτητα του ηλεκτρονίου, και επομένως η κινητική του ενέργεια, μπορεί να είναι οτιδήποτε.

Αυτό σημαίνει ότι το φάσμα εκπομπής του ατόμου πρέπει να είναι συνεχές. Ωστόσο, τα πραγματικά φάσματα ατομικής εκπομπής αποτελούνται από μεμονωμένες γραμμές (οι οποίες συνδυάζονται σε μια σειρά γραμμών).

Εκείνοι. το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει ούτε τη σταθερότητα του ατόμου ούτε τη φύση του ατομικού φάσματος. Μια διέξοδος από την κατάσταση βρέθηκε το 1913 από τον Bohr, ο οποίος πρότεινε ένα νέο μοντέλο του ατόμου, εισάγοντας υποθέσεις που έρχονται σε αντίθεση με τις κλασικές ιδέες. Στήριξε τη θεωρία του σε δύο αξιώματα.

Ατομική δομήείναι πολύπλοκο. Αυτό επιβεβαιώνεται από τις ανακαλύψεις φαινομένων όπως το ηλεκτρόνιο, οι ακτίνες Χ και η ραδιενέργεια. Ως αποτέλεσμα θεωρητικής έρευνας και πολυάριθμων πειραμάτων, α θεωρία της ατομικής δομής. Ιδιαίτερα σημαντική συνεισφορά στη δημιουργία της θεωρίας της ατομικής δομής είχε ο Άγγλος φυσικός Ernest Ράδερφορντ(1871 - 1937), ο οποίος διεξήγαγε πειράματα για να μελετήσει τη διέλευση των σωματιδίων άλφα μέσα από λεπτές μεταλλικές πλάκες χρυσού και πλατίνας.

Ο Ράδερφορντ το 1906 πρότεινε την ανίχνευση των ατόμων βαρέων στοιχείων με σωματίδια άλφα με ενέργεια 4,05 MeV, τα οποία εκπέμπονταν από έναν πυρήνα ουρανίου ή ραδίου. Έτσι, προτάθηκε να μελετηθεί η σκέδαση (αλλαγή κατεύθυνσης κίνησης) των σωματιδίων άλφα στην ύλη.

Η μάζα ενός σωματιδίου άλφα είναι περίπου 8000 φορές η μάζα ενός ηλεκτρονίου. Το θετικό φορτίο είναι ίσο σε μέγεθος με το διπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου 2e. Η ταχύτητα ενός σωματιδίου άλφα είναι 1/15 της ταχύτητας του φωτός ή 2 * 10 7 m/s. Σωματίδιο άλφαείναι ένα πλήρως ιονισμένο άτομο ηλίου.

Ένα απλοποιημένο διάγραμμα των πειραμάτων του Rutherford φαίνεται στο Σχ. 1.1. Τα σωματίδια άλφα εκπέμπονταν από μια ραδιενεργή πηγή 1 τοποθετημένη μέσα σε έναν κύλινδρο μολύβδου 2 με ένα στενό κανάλι 3. Μια στενή δέσμη σωματιδίων άλφα από το κανάλι έπεσε στο φύλλο 4 από το υπό μελέτη υλικό, κάθετα στην επιφάνεια του φύλλου. Από τον κύλινδρο μολύβδου, τα σωματίδια άλφα περνούσαν μόνο μέσα από το κανάλι και τα υπόλοιπα απορροφήθηκαν από το μόλυβδο. Τα σωματίδια άλφα που περνούσαν από το φύλλο και διασκορπίστηκαν από αυτό έπεσαν σε ένα ημιδιαφανές πλέγμα 5, το οποίο ήταν επικαλυμμένο με μια φωταυγή ουσία (θειικός ψευδάργυρος). Αυτή η ουσία ήταν ικανή να λάμπει όταν την χτυπούσε ένα σωματίδιο άλφα. Η σύγκρουση κάθε σωματιδίου με την οθόνη συνοδεύτηκε από μια λάμψη φωτός. Αυτό το φλας ονομάζεται σπινθηροβολία(από λατινικό σπινθηρισμό - αφρώδης, βραχυπρόθεσμη λάμψη φωτός). Πίσω από την οθόνη υπήρχε ένα μικροσκόπιο 6. Για να αποφευχθεί η πρόσθετη διασπορά των σωματιδίων άλφα στον αέρα, ολόκληρη η συσκευή τοποθετήθηκε σε ένα δοχείο με επαρκές κενό.

Ρύζι. 1.1. Απλοποιημένο σχήμα των πειραμάτων του Rutherford.

Ελλείψει αλουμινίου, εμφανίστηκε ένας φωτεινός κύκλος στην οθόνη, αποτελούμενος από σπινθηρισμούς που προκαλούνται από μια λεπτή δέσμη σωματιδίων άλφα. Αλλά όταν ένα λεπτό φύλλο χρυσού με πάχος περίπου 0,1 μm (μικρό) τοποθετήθηκε στη διαδρομή των σωματιδίων άλφα, η εικόνα που παρατηρήθηκε στην οθόνη άλλαξε πολύ: μεμονωμένες λάμψεις εμφανίστηκαν όχι μόνο έξω από τον προηγούμενο κύκλο, αλλά μπορούσαν ακόμη και να παρατηρείται από την αντίθετη πλευρά του φύλλου χρυσού.

Μετρώντας τον αριθμό των σπινθηρισμών ανά μονάδα χρόνου σε διαφορετικά σημεία της οθόνης, είναι δυνατό να καθοριστεί η κατανομή των διάσπαρτων σωματιδίων άλφα στο χώρο. Ο αριθμός των σωματιδίων άλφα μειώνεται γρήγορα με την αύξηση της γωνίας σκέδασης.

Η εικόνα που παρατηρήθηκε στην οθόνη οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η πλειονότητα των σωματιδίων άλφα περνούν μέσα από το φύλλο χρυσού χωρίς αισθητή αλλαγή στην κατεύθυνση της κίνησής τους. Ωστόσο, ορισμένα σωματίδια παρέκκλιναν σε μεγάλες γωνίες από την αρχική κατεύθυνση των σωματιδίων άλφα (περίπου 135 o ... 150 o) και μάλιστα πετάχτηκαν πίσω. Η έρευνα έχει δείξει ότι όταν τα σωματίδια άλφα περνούν μέσα από το φύλλο, για κάθε 10.000 σωματίδια που πέφτουν, μόνο ένα αποκλίνει κατά γωνία μεγαλύτερη από 10° από την αρχική κατεύθυνση κίνησης. Μόνο ως σπάνια εξαίρεση ένα από τα τεράστια σωματίδια άλφα αποκλίνει από την αρχική του κατεύθυνση.

Το γεγονός ότι πολλά σωματίδια άλφα πέρασαν μέσα από το φύλλο χωρίς να αποκλίνουν από την κατεύθυνση της κίνησής τους υποδηλώνει ότι το άτομο δεν είναι μια στερεή οντότητα. Δεδομένου ότι η μάζα ενός σωματιδίου άλφα είναι σχεδόν 8000 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, τα ηλεκτρόνια που αποτελούν μέρος των ατόμων του φύλλου δεν μπορούν να αλλάξουν αισθητά την τροχιά των σωματιδίων άλφα. Η σκέδαση των σωματιδίων άλφα μπορεί να προκληθεί από ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο ενός ατόμου - τον ατομικό πυρήνα.

Ατομικός πυρήνας- αυτό είναι ένα μικρό σώμα στο οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν όλη η μάζα και σχεδόν όλο το θετικό φορτίο του ατόμου.

Όσο πιο κοντά πλησίαζε το σωματίδιο άλφα στον πυρήνα, τόσο μεγαλύτερη ήταν η δύναμη της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης και τόσο μεγαλύτερη ήταν η γωνία εκτροπής του σωματιδίου. Σε μικρές αποστάσεις από τον πυρήνα, ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο άλφα υφίσταται μια σημαντική απωστική δύναμη F από τον πυρήνα, η οποία καθορίζεται από το νόμο του Coulomb:

όπου r είναι η απόσταση από τον πυρήνα στο σωματίδιο άλφα. ε 0 – ηλεκτρική σταθερά σε μονάδες SI. p – αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα. e = 1,6*10-19 C – απόλυτη τιμή του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου (φόρτιση ηλεκτρονίων). 2e – φορτίο σωματιδίων άλφα

Το σχήμα 1.2 δείχνει τις τροχιές των σωματιδίων άλφα που πετούν σε διάφορες αποστάσεις από τον πυρήνα.

Ο Ράδερφορντ μπόρεσε να εισαγάγει έναν τύπο που συνδέει τον αριθμό των σωματιδίων άλφα που είναι διασκορπισμένα σε μια ορισμένη γωνία με την ενέργεια των σωματιδίων άλφα και των πρωτονίων p στον πυρήνα ενός ατόμου. Μια πειραματική επαλήθευση του τύπου επιβεβαίωσε την εγκυρότητά του και έδειξε ότι ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ενδοατομικών ηλεκτρονίων Z και καθορίζεται από τον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείου (δηλαδή τον ατομικό αριθμό του στοιχείο στο περιοδικό σύστημα του D.I. Mendeleev):

p = Z

Ρύζι. 1.2. Τροχιές σωματιδίων άλφα.

Μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων άλφα που είναι διάσπαρτα σε διάφορες γωνίες, ο Ράδερφορντ ήταν σε θέση να υπολογίσει τις γραμμικές διαστάσεις του πυρήνα. Προκειμένου ένας θετικός πυρήνας να πετάξει ένα σωματίδιο άλφα πίσω, η δυναμική ενέργεια της ηλεκτροστατικής απώθησης (Coulomb) στα όρια του ατομικού πυρήνα πρέπει να είναι ίση με την κινητική ενέργεια του σωματιδίου άλφα:

Αποδείχθηκε ότι ο πυρήνας έχει διάμετρο:

D i = 10 -13 ...10 -12 cm = 10 -15 ...10 -14 m

Γραμμική διάμετρος του ίδιου του ατόμου:

D a = 10 -8 cm = 10 -10 m

Πλανητικό μοντέλο του ατόμου

Αφού ανέλυσε πολυάριθμα πειράματα, ο Rutherford πρότεινε το 1911 πλανητικό ατομικό μοντέλο(πυρηνικό μοντέλο του ατόμου).

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας, στον οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου. Αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις, όπως οι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον ήλιο. Από τη συλλογή αυτών των ηλεκτρονίων σχηματίζεται νέφος ηλεκτρονίωνή σύννεφο ηλεκτρονίων.

Το άτομο ως σύνολο είναι ουδέτερο, επομένως, η απόλυτη τιμή του συνολικού αρνητικού φορτίου των ηλεκτρονίων είναι ίση με το θετικό φορτίο του πυρήνα: ο αριθμός Z*e των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στον νέφος ηλεκτρονίων και συμπίπτει με τον αύξοντα αριθμό (ατομικός αριθμός) Z του ατόμου ενός δεδομένου χημικού στοιχείου στο περιοδικό σύστημα D. I. Mendeleev.

Για παράδειγμα, ένα άτομο υδρογόνου έχει ατομικό αριθμό Z = 1, επομένως, ένα άτομο υδρογόνου αποτελείται από έναν θετικό πυρήνα με φορτίο ίσο με την απόλυτη τιμή του φορτίου ηλεκτρονίου. Ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα. Ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου ονομάζεται πρωτόνιο. Το άτομο λιθίου έχει ατομικό αριθμό Z = 3, επομένως, 3 ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου του λιθίου.

Αρχικές ιδέες για τη δομή του ατόμου

Προϋποθέσεις για μια επιστημονική επανάσταση

Η εμπειρία του Ράδερφορντ

Αυτή η οθόνη ήταν επικαλυμμένη με μια ειδική ουσία που άρχισε να λάμπει όταν χτυπούσαν σωματίδια άλφα. Ο χώρος μεταξύ του στρώματος φύλλου χρυσού και της οθόνης γέμισε με ένα κενό για να αποτρέψει τα σωματίδια άλφα από τη διασπορά στον αέρα. Μια τέτοια συσκευή επέτρεψε στους ερευνητές να παρατηρήσουν τα σωματίδια που διασκορπίζονται υπό γωνία περίπου 150°.

Ο λόγος για τον οποίο τα σωματίδια άλφα εκτρέπονταν

Άλλες ανακαλύψεις έγιναν στη διαδικασία μελέτης του ατόμου

Τα πειράματα του Rutherford: πυρηνικό μοντέλο του ατόμου

Το 1911, ο Ράδερφορντ, μετά από πολυάριθμες μελέτες, πρότεινε ένα μοντέλο της δομής του ατόμου, το οποίο ονόμασε πλανητικό. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, μέσα στο άτομο υπάρχει ένας πυρήνας που περιέχει σχεδόν ολόκληρη τη μάζα του σωματιδίου. Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα με παρόμοιο τρόπο με τον τρόπο που κινούνται οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Από το συνδυασμό τους σχηματίζεται ένα λεγόμενο σύννεφο ηλεκτρονίων. Το άτομο έχει ουδέτερο φορτίο, όπως έδειξε το πείραμα του Ράδερφορντ.