Что согласно планетарной модели атома движется вокруг ядра
Планетарная модель атома
теория по физике 🧲 квантовая физика
Одним из самых важных открытий в области современной физики стало открытие сложного строения атома. В процессе изучения этого строения были открыты новые законы, которые применимы только для описания движения микрочастиц. Такие законы называют законами квантовой механики.
Строение атома по Томсону
Правильное представление о строении атома сложилось не сразу. Первую модель строения частицы вещества предложил английский физик Дж. Дж. Томсона, которому принадлежит открытие электронов. Сравнить эту модель можно с кексом. Положительный заряд атома, играющий роль теста, занимает весь атомарный объем. Причем его плотность одинакова во всех точках. Электроны, словно изюминки в тесте, равномерно распределяются в объеме, занятом положительным зарядом.
Так, согласно представлениям Томсона, атом водорода представляет собой небольшой положительно заряженный шарик радиусом в 10 –10 м. И внутри него расположен один электрон. У более сложных атомов электронов больше.
Опыты Резерфорда
Модель Томсона подверглась критике уже тогда, поскольку она абсолютно противоречила уже открытым к тому времени свойствам атома. Одно из главных свойств — устойчивость.
Известно, что масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Но в целом атом является нейтральным. Значит, основная масса приходится на его положительно заряженную часть. Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Такие частицы образуются при распаде радия и некоторых других химических элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. По сути, α-частицы — это лишенные электронов атомы гелия. Двигаются они со скоростью, равной 1/15 скорости света.
Такими частицами Резерфорд в своих экспериментах бомбардировал атомы тяжелых элементов. Известно, что электроны неспособны изменить траекторию движения α-частиц, потому что они слишком мало весят. Ведь небольшой камешек, врезавшийся в автомобиль, не может существенно повлиять на его скорость.
Изменить направление движения α-частиц может только положительный заряд атома. Так, если бомбардировать этими частицами атом, то по их рассеянию можно узнать, каким образом распределяется положительный заряд внутри него. Схема опыта резерфорда выглядит так:
Резерфорд поместил в цилиндр радиоактивное вещество. Вдоль цилиндра ученый высверлил узкий канал, из начал исходить пучок α-частиц. Этот поток попадал на тонкую золотую фольгу. Пройдя ее, частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. За экраном стоял микроскоп, с помощью которого можно было наблюдать столкновение полностью ионизированных атомов гелия с экраном. Ведь при каждом столкновении на экране можно было наблюдать вспышку — сцинтилляцию. Вся установка находилась внутри сосуда, из которого был выкачан воздух — это гарантировало отсутствие других факторов, которые могли бы повлиять на исход опыта.
Если провести опыт без фольги, то глядя в микроскоп, можно было наблюдать следующую картину: на экране формировался кружок, образованный сцинтилляциями от удара α-частиц об экран.
Но если на пути потока этих частиц поставить тонкую фольгу из золота, то картина меняется. Кружок, состоящий из сцинтилляций, становится больше.
Такой результат эксперимента нельзя было предсказать, если считать, что атом действительно имеет такое строение, какое предположил Томсон. Ведь при распределении по всем объему атома положительный заряд не может создать сильное электрическое поле. Поэтому он не смог бы отклонить траекторию движения α-частиц кардинально. Максимальная сила отталкивания в этом случае может быть рассчитана путем применения закона Кулона:
q a — заряд α-частицы, q — положительный заряд атома, R — радиус атома, а k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая α-частицы.
Определение размеров атомного ядра
Резерфорд сделал вывод о том, что α-частица могла быть отброшена назад только случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в небольшом пространстве. Так ученый пришел к мысли о существовании атомного ядра. По его представлению, это было тело малых размеров, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома.
На рисунке выше изображены траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра. Подсчитывая количество α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд дал оценку размерам ядра. Выяснилось, что его диаметр равен примерно 10 –12 –10 –13 см. Такой разброс связан с тем, что размеры ядер атомов разных веществ различны. Размер же самого атома равен 10 –8 см. Это в 10–100 тыс. раз больше размера атомного ядра.
Планетарная модель атома
Основываясь на результатах опыта, Резерфорд создал планетарную модель атома. Согласно ей, в центре атома расположено положительно заряженное ядро. В нем сосредоточена почти вся масса атома. Но в целом атом является нейтральной частицей. Это связано с тем, что положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов, которые вращаются вокруг этого ядра подобно тому, как вращаются планеты вокруг Солнца. Но если планеты вращаются под действием гравитационных сил, то электроны вращаются под действием сил кулоновских (со стороны ядра).
Так, в атоме водорода вокруг ядра вращается только лишь один электрон. Его ядро имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Причем его масса примерно в 1836,1 раза больше массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома водорода определяется радиусом орбиты его электрона.
Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию α-частиц. Но даже это модель не объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, и оно очень велико. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается энергетическими потерями. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру так, как спутник приближается к Земле при торможении о верхние слои атмосферы. По расчетам, электрон должен упасть на ядро за 10 –8 с. Но этого не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать бесконечно. При этом они не излучают электромагнитные волны.
Опыты Э. Резерфорда по рассеянию α-частиц показали, что
А. почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
Б. ядро имеет положительный заряд.
Какое(-ие) из утверждений правильно(-ы)?
Алгоритм решения
Решение
Резерфорд направил пучок радиоактивного излучения на золотую фольгу. Альфа-частицы, проходя сквозь нее, попадали на экран и оставляли след. Если без фольги след представлял собой более менее четко ограниченный круг, то в случае с фольгой, четких границ круга не было. Когда Резерфорд окружил установку фольгой, он обнаружил, что часть альфа-частиц изменила траекторию движения после столкновения с фольгой в обратном направлении. Но это было бы невозможно, если бы заряд был распределен в атомах равномерно по всему объему. Наблюдать такую картинку возможно только при условии, что заряд атома концентрируется в небольшом пространстве — ядре. Причем этот заряд положительный, поскольку он не притягивает, а отталкивает альфа-частицы. Поэтому оба утверждения являются верными.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
На рисунке изображены схемы четырёх атомов, соответствующие модели атома Резерфорда. Чёрными точками обозначены электроны. Атому 63 Li соответствует схема:
Алгоритм решения
Решение
Планетарная модель атома подразумевает наличие положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются по орбитам электроны. Причем количество протонов равно количеству электронов. Зарядовое число у лития равно 3. Следовательно, на орбитах вокруг ядра должно вращаться 3 электрона — как на рисунке «в».
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Ядро атома содержит 3 нейтрона и 4 протона, вокруг ядра обращаются 2 электрона. Эта система частиц является
а) нейтральным атомом углерода 9 6C б) ионом бериллия 7 4Be в) ионом лития 9 3Li г) нейтральным атомом бериллия 7 4B
Алгоритм решения
Решение
Согласно условию, содержится 4 протона и всего 2 электрона. Это значит, что речь будет идти о положительно заряженном ионе. Массовое число будет равно 7 (4 протона + 3 нейтрона), а зарядовое число — 4 (4 протона). Этому соответствует ион бериллия.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Планетарная модель атома Резерфорда
«Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор.»
Эрнест Резерфорд
Модель Томсона была первым пробным шагом в познании микромира. Однако она не отвечала на многие вопросы. Требовался новый нестандартный взгляд для создания модели, способной разрешить возникшие противоречия.
Модель атома, предложенная Томсоном, давала только общее представление о строении атома и не согласовывалась со все новыми данными экспериментов и теоретических вычислений. Настало время создания другой модели, способной согласовать теорию и эксперимент.
Этого не может быть. Или факты — упрямая вещь
К 1904 году японский физик Хантаро Нагаока разработал раннюю «планетарную модель» атома — так называемый «атом типа Сатурна». Модель была разработана по аналогии с расчетами устойчивости колец Сатурна. И хотя впоследствии модель и оказалась ошибочной, два следствия из нее все-таки оказались пророческими:
Годом раньше немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, которая не предполагала раздельное существование в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц — динамид, каждая из которых является электрическим дуплетом. Расчеты, выполненные Ленардом, показали, что эти частицы должны иметь очень маленькие размеры, то есть большая часть объема атома представляет собой пустоту.
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Эрнеста Резерфорда решили попытаться найти экспериментальное подтверждение модели Томсона и провели ставшие классическими опыты по рассеиванию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Альфа-частицы были выбраны благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона), поэтому они не должны претерпевать сколь-нибудь заметного отклонения при взаимодействии с электронами. Это позволяет исследовать только положительную составляющую атома. Источником альфа-частиц послужил радий. Частицы, проходящие через золотую фольгу, рассеивались, и это рассеяние регистрировалось по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка.
В начале эксперимента исследовались только малые углы отклонения альфа-частицы. И тут выяснилось, что подавляющее большинство частиц проходили сквозь фольгу, как раскаленная дробинка через кусок масла, словно мишень была прозрачна для бомбардирующих ее частиц. Наблюдалось лишь весьма незначительное отклонение порядка одного градуса.
Затем Резерфорд поручил молодому сотруднику Марсдену выяснить, могут ли частицы рассеиваться на большие углы. В частности, до 180°. И вот зимним днем 1909 года Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и сказал: «Вы были правы, профессор: они возвращаются». Это было невероятно и противоречило существующей модели атома. Таким образом, вместо доказательства правоты Томсона эксперименты Резерфорда доказали ее несостоятельность.
Тот факт, что альфа-частицы возвращались, говорил о том, что они столкнулись с преградой — очень массивной положительно заряженной частицей, но эти столкновения происходили очень редко, в среднем — одно на восемь тысяч. А это уже свидетельство о том, что. Впрочем, именно над этим и задумался Резерфорд.
Альфа-частица (а-частица)— положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами, по сути это ядро атома гелия. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами, или альфа-излучением.
И все-таки он вертится!
И задумался он на целых два года. К 1911 году результатом его раздумий явилась новая модель строения атома. Однако обо всем по порядку.
Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.
Из этого следуют два вывода. Первый: легкие электроны практически не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Вывод второй: так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой.
Небольшая часть альфа-частиц все же отклоняется на значительные углы. А значит, вывод третий такой: центральная часть атома очень маленьких размеров, но в ней сосредоточена почти вся масса атома, и эта центральная часть имеет положительный заряд. Она и получила название ядра атома.
Согласно Резерфорду, атом состоит из массивного положительного ядра и вращающихся по определенным орбитам вокруг него электронов, что само по себе напомнило Солнечную систему, поэтому модель и получила название планетарной.
Если представить атом в виде сферы диаметром один километр — его ядро будет размером с мелкую монету.
Однако и эта модель атома оказалась в противоречии с классической физикой. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!
Таким образом, эти факты были несовместимы с планетарной моделью атома Резерфорда, если рассматривать ее с позиции классической электродинамики.
Разрешения этих противоречий были еще впереди. Пока же количество вопросов значительно превышало число удобоваримых объяснений. Тем не менее, это был значительный шаг на пути понимания устройства мира. Добавим лишь, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — это квантовый процесс, а для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще попросту не было.
Планетарная модель атома: опыт Резерфорда
Планетарную модель атома предложил Э. Резерфорд в 1910 году. Первые исследования структуры атома были сделаны им при помощи альфа-частиц. На основе результатов, полученных в экспериментах по их рассеянию, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в его центре. С другой стороны, отрицательно заряженные электроны распределены внутри всего остального его объема.
Немного предыстории
Первую гениальную догадку о существовании атомов сделал древнегреческий ученый Демокрит. С тех пор идея о существовании атомов, комбинации которых дают все окружающие нас вещества, не покидала воображения людей науки. Периодически к ней обращались различные ее представители, но до начала XIX века их построения были всего лишь гипотезами, не подкрепленными опытными данными.
Наконец, в 1804 году, более чем за сто лет до того как появилась планетарная модель атома, английский ученый Джон Дальтон представил доказательства его существования и ввел понятие атомного веса, явившееся его первой количественной характеристикой. Как и его предшественники, он представлял атомы мельчайшими частями материи, похожими на твердые шарики, которые не могут быть разделены на еще более мелкие частицы.
Открытие электрона и первая модель атома
Эта модель удовлетворительно объясняла то обстоятельство, что при нагревании вещества оно начинает излучать свет. Хотя это была первая попытка понимания того, что же такое атом, она не смогла удовлетворить результатам экспериментов, выполненных позже Резерфордом и другими. Томсон в 1911 году согласился, что его модель просто не может ответить, как и почему происходит наблюдаемое в опытах рассеяние α-лучей. Поэтому она была оставлена, а на смену ей пришла более совершенная планетарная модель атома.
Как же все таки устроен атом?
Эрнест Резерфорд дал объяснение явления радиоактивности, которое принесло ему Нобелевскую премию, однако его наиболее значительный вклад в науку был сделан позднее, когда он установил, что атом состоит из плотного ядра, окруженного орбитами электронов, подобно тому, как Солнце окружено орбитами планет.
Согласно планетарной модели атома, большая часть его массы сконцентрирована в крошечном (по сравнению с размерами всего атома) ядре. Электроны двигаются вокруг ядра, путешествуя с невероятной скоростью, но большая часть объема атомов является при этом пустым пространством.
Опыты Резерфорда
Планетарная модель атома возникла в 1911, после знаменитого эксперимента с золотой фольгой, позволившего получить некоторые фундаментальные сведения о его строении. Путь Резерфорда к открытию атомного ядра является хорошим примером роли творчества в науке. Его поиски начались еще в 1899 году, когда он обнаружил, что некоторые элементы испускают положительно заряженные частицы, которые могут проникать через что угодно. Он назвал эти частицы альфа (α) частицами (теперь мы знаем, что они были ядрами гелия). Как и все хорошие ученые, Резерфорд был любопытен. Он задавался вопросом, можно ли использовать альфа-частицы, чтобы узнать структуру атома. Резерфорд решил нацелить луч альфа-частиц на лист очень тонкой золотой фольги. Он выбрал золото, потому что из него можно получать листы толщиной всего 0,00004 см. За листом золотой фольги он поставил экран, который светился, когда альфа-частицы ударяли в него. Его использовали для обнаружения альфа-частиц после их прохождения через фольгу. Небольшая прорезь в экране позволяла лучу альфа-частиц достичь фольги после выхода из источника. Часть из них должна пройти сквозь фольгу и продолжать двигаться в том же направлении, другая их часть должна отскакивать от фольги и отражаться под острыми углами. Вы можете увидеть схему эксперимента на рисунке ниже.
Что же получилось в опыте Резерфорда?
Исходя из модели атома Дж. Дж. Томсона, Резерфорд предполагал, что сплошные области положительного заряда, заполняющие весь объем золотых атомов, будут отклонять или сгибать траектории всех альфа-частиц, когда они проходят через фольгу.
Однако подавляющее большинство альфа-частиц прошло прямо через золотую фольгу, как будто ее и не было. Казалось, они проходят через пустое пространство. Лишь немногие из них отклоняются от прямого пути, как и предполагалось вначале. Ниже приведен график зависимости количества частиц, рассеянных в соответствующем направлении, от угла рассеяния.
Удивительно, но крошечный процент частиц возвращался от фольги, как баскетбольный мяч отскакивает от щита. Резерфорд понял, что эти отклонения были результатом прямого столкновения между альфа-частицами и положительно заряженными компонентами атома.
Ядро занимает центральное место
Исходя из ничтожного процента отразившихся от фольги альфа-частиц, можно сделать вывод, что весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены в одной маленькой области, а в остальной части атома в основном находится пустое пространство. Резерфорд назвал площадь концентрированного положительного заряда ядром. Он предсказал и вскоре обнаружил, что оно содержит положительно заряженные частицы, которые он назвал протонами. Резерфорд предсказал существование нейтральных атомных частиц, называемых нейтронами, но он не смог обнаружить их. Тем не менее его ученик Джеймс Чедвик открыл их через несколько лет. На рисунке ниже показана структура ядра атома урана.
Атомы состоят из положительно заряженных тяжелых ядер, окруженных вращающимися вокруг них отрицательно заряженными чрезвычайно легкими частицами-электронами, причем на таких скоростях, что механические центробежные силы просто балансируют их электростатическое притяжение к ядру, и в этой связи якобы обеспечивается стабильность атома.
Недостатки этой модели
Основная идея Резерфорда относилась к идее малоразмерного атомного ядра. Предположение об орбитах электронов было чистой гипотезой. Он не знал точно, где и как электроны вращаются вокруг ядра. Поэтому планетарная модель Резерфорда не объясняет распределение электронов на орбитах.
Основная идея Резерфорда относилась к идее малоразмерного атомного ядра. Предположение об орбитах электронов было чистой гипотезой. Он не знал точно, где и как электроны вращаются вокруг ядра. Поэтому планетарная модель Резерфорда не объясняет распределение электронов на орбитах.
Кроме того, стабильность атома Резерфорда была возможна только при непрерывном движении электронов по орбитам без потерь кинетической энергии. Но электродинамические расчеты показали, что движение электронов по любым криволинейным траекториям, сопровождающееся изменением направления вектора скорости и появлением соответствующего ускорения, неизбежно сопровождается излучением электромагнитной энергии. При этом, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия электрона должна очень быстро израсходоваться на излучение, и он должен упасть на ядро, как схематически показано на рисунке ниже.
От Резерфорда к Нильсу Бору
Следующий крупный шаг вперед в атомной истории произошел в 1913 году, когда датский ученый Нильс Бор опубликовал описание более детальной модели атома. Она определяла более четко места, где могут находиться электроны. Хотя позже ученые будут развивать и более изысканные атомные конструкции, но планетарная модель атома Бора была в основном правильной, и многое из нее принимается до сих пор. Она имела множество полезных приложений, например с ее помощью объясняют свойства различных химических элементов, характер спектра их излучений и строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились важнейшими вехами, обозначившими появление нового направления в физике – физики микромира. Бор получил Нобелевскую премию 1922 по физике за его вклад в наше понимание структуры атома.
Что же нового привнес Бор в модель атома?
Будучи еще молодым человеком, Бор работал в лаборатории Резерфорда в Англии. Поскольку в модели Резерфорда была слабо проработана концепция электронов, Бор сосредоточился именно на них. В результате была существенно доработана планетарная модель атома. Постулаты Бора, которые он сформулировал в своей статье «О строении атомов и молекул», вышедшей в 1913 году, гласят:
1. Электроны могут двигаться вокруг ядра только на фиксированных расстояниях от него, определяемых тем количеством энергии, которое у них есть. Он назвал эти фиксированные уровни энергетическими уровнями или электронными оболочками. Бор представлял их в виде концентрических сфер, с ядром в центре каждой из них. При этом электроны с меньшей энергией будут найдены на более низких уровнях, ближе к ядру. Те же из них, у кого больше энергии, будут найдены на более высоких уровнях, дальше от ядра.
2. Если электрон поглощает некоторое (вполне определенное для данного уровня) количество энергии, то он будет прыгать на следующий, более высокий энергетический уровень. И наоборот, если он потеряет такое же количество энергии, то вернется назад к исходному уровню. Однако электрон не может существовать на двух энергетических уровнях.
Эта идея иллюстрируются рисунком.
Энергетические порции для электронов
Если энергию сравнить с водой и вы хотите добавить ее к материи в виде стакана, вы не можете просто залить воду непрерывной струей. Вместо этого вы можете добавить ее в небольших количествах, например, по чайной ложке. Бор считал, что если электроны могут поглощать или терять только фиксированные количества энергии, то они должны варьировать свою энергию только этими фиксированными количествами. Таким образом, они могут занимать только фиксированные энергетические уровни вокруг ядра, которые соответствуют квантованным приращениям их энергии.
Так из модели Бора вырастает квантовый подход к объяснению, что же из себя представляет строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились своеобразными ступенями от классической физики к квантовой, являющейся основным инструментом в физике микромира, включая и атомную физику.