Модель Резерфорда
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июнь 2020 г. ) |
Модель Резерфорда была разработана Эрнестом Резерфордом для описания атома . Резерфорд руководил экспериментом Гейгера-Марсдена в 1909 году, который, на основе анализа Резерфорда 1911 года, показал, что . Дж. Томсона Дж модель атома сливового пудинга неверна. Новая модель Резерфорда [1] поскольку атом, согласно экспериментальным результатам, содержал новые особенности относительно высокого центрального заряда, сконцентрированного в очень малом объеме по сравнению с остальной частью атома, и этот центральный объем содержал большую часть массы атома ; эта область будет известна как атомное ядро . Модель Резерфорда впоследствии была заменена моделью Бора .
Фон
[ редактировать ]В той же статье, в которой Дж. Дж. Томсон объявил о своих результатах о «корпускульной» природе катодных лучей , событии, которое считается открытием электрона , он начал размышлять об атомных моделях, состоящих из электронов. Он разработал свою модель, теперь называемую моделью сливового пудинга , в основном в 1904-06 годах. Он создал сложную механическую модель электронов, движущихся по концентрическим кольцам, но положительный заряд, необходимый для уравновешивания отрицательных электронов, представлял собой простую сферу с однородным зарядом и неизвестного состава. [2] : 13
Экспериментальная основа модели
[ редактировать ]Резерфорд опроверг модель Томсона в 1911 году своим известным экспериментом с золотой фольгой , в котором он продемонстрировал, что атом имеет крошечное и тяжелое ядро. Резерфорд разработал эксперимент по использованию альфа-частиц, испускаемых радиоактивным элементом, в качестве зондов невидимого мира атомной структуры. Если бы Томсон был прав, луч прошел бы прямо через золотую фольгу. Большая часть лучей прошла сквозь фольгу, но некоторые отклонились.
Резерфорд представил свою собственную физическую модель субатомной структуры как интерпретацию неожиданных экспериментальных результатов. В нем атом состоит из центрального заряда (это современное атомное ядро , хотя Резерфорд не использовал в своей работе термин «ядро»), окруженного облаком (предположительно) вращающихся по орбитам электронов . В этой статье, опубликованной в мае 1911 года, Резерфорд выделил лишь небольшую центральную область с очень высоким положительным или отрицательным зарядом в атоме.
Для конкретики рассмотрим прохождение высокоскоростной α-частицы через атом, имеющий положительный центральный заряд N e и окруженный компенсирующим зарядом из N электронов. [3]
Из чисто энергетических соображений о том, как далеко частицы с известной скоростью смогут проникнуть к центральному заряду в 100 е, Резерфорд смог вычислить, что радиус его золотого центрального заряда должен быть меньше (насколько меньше нельзя было сказать). ), чем 3,4 × 10 −14 метры. Это было в атоме золота, известном как 10. −10 метров или около того в радиусе — очень удивительное открытие, поскольку оно предполагало сильный центральный заряд, составляющий менее 1/3000 диаметра атома.
Модель Резерфорда позволила сконцентрировать большую часть заряда и массы атома в очень маленьком ядре, но не приписывала никакой структуры оставшимся электронам и оставшейся атомной массе. Там упоминалась атомная модель Хантаро Нагаока , в которой электроны расположены в одном или нескольких кольцах, со специфической метафорической структурой стабильных колец Сатурна. Модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона также имела кольца вращающихся по орбитам электронов. Жан Батист Перрен заявил в своей Нобелевской лекции [4] что он был первым, кто предложил эту модель в своей статье, датированной 1901 годом. Но на самом деле североирландский физик Джозеф Лармор создал первую модель атома Солнечной системы в 1897 году. [5]
В статье Резерфорда предполагалось, что центральный заряд атома может быть «пропорционален» его атомной массе в единицах массы водорода u (примерно 1/2 от нее в модели Резерфорда). Для золота это массовое число равно 197 (в то время оно не было известно с большой точностью), и поэтому Резерфорд смоделировал его как, возможно, 196 u. Однако Резерфорд не пытался установить прямую связь центрального заряда с атомным номером , поскольку «атомный номер» золота (в то время просто его номер в периодической таблице ) был 79, и Резерфорд смоделировал заряд примерно равным + 100 единиц (на самом деле он предлагал 98 единиц положительного заряда, что составляет половину от 196). Таким образом, Резерфорд формально не предполагал, что эти два числа (место в таблице Менделеева, 79, и заряд ядра, 98 или 100) могут быть совершенно одинаковыми.
Через месяц после появления статьи Резерфорда предложение о точной идентичности атомного номера и заряда ядра было сделано Антониусом ван ден Бруком , а позже подтверждено экспериментально в течение двух лет Генри Мозли .
Это ключевые показатели:
- атома Электронное облако не оказывает (существенного) влияния на рассеяние альфа-частиц .
- Большая часть положительного заряда атома сосредоточена в относительно небольшом объеме в центре атома, известном сегодня как ядро . Величина этого заряда пропорциональна (вплоть до числа зарядов, которое может составлять примерно половину) атомной массы атома — теперь известно, что оставшаяся масса в основном принадлежит нейтронам . Эта концентрированная центральная масса и заряд отвечают за отклонение как альфа-, так и бета- частиц.
- Масса тяжелых атомов, таких как золото, в основном сосредоточена в области центрального заряда, поскольку расчеты показывают, что она не отклоняется и не перемещается высокоскоростными альфа-частицами, которые имеют очень высокий импульс по сравнению с электронами, но не по сравнению с тяжелыми атомами. атом в целом.
- Сам атом составляет около 100 000 (10 5 ) раз больше диаметра ядра. [6] Это может быть связано с тем, что песчинку положили посреди футбольного поля . [7]
Вклад в современную науку
[ редактировать ]После открытия Резерфорда последующие исследования определили атомную структуру, что привело к эксперименту Резерфорда с золотой фольгой . В конце концов ученые обнаружили, что атомы имеют положительно заряженное ядро (с атомным числом зарядов) в центре радиусом около 1,2 × 10. −15 метры × [атомное массовое число] 1 ⁄ 3 . Электроны оказались еще меньше.
нашли ожидаемое количество электронов (такое же, как и атомный номер) в атоме Позже ученые с помощью рентгеновских лучей . Когда рентгеновские лучи проходят через атом, часть их рассеивается , а остальная часть проходит сквозь атом. Поскольку рентгеновские лучи теряют свою интенсивность в первую очередь за счет рассеяния на электронах, отметив скорость уменьшения интенсивности рентгеновских лучей, можно точно оценить число электронов, содержащихся в атоме.
Символизм
[ редактировать ]
По мнению Нагаока, модель Резерфорда основывалась на идее множества электронов в кольцах. Однако как только Нильс Бор изменил эту точку зрения на картину всего лишь нескольких планетоподобных электронов для легких атомов, модель Резерфорда-Бора захватила воображение публики. С тех пор его постоянно использовали как символ атомов и даже «атомной» энергии (хотя правильнее было бы считать ее ядерной энергией). Примеры его использования за последнее столетие включают, помимо прочего:
- Логотип Комиссии по атомной энергии США , которая частично ответственна за его дальнейшее использование, в частности, в отношении технологии ядерного деления .
- Флаг Международного агентства по атомной энергии — резерфордовский атом, заключенный в оливковые ветви.
- США Логотип бейсбольной низшей лиги Albuquerque Isotopes представляет собой атом Резерфорда с орбитами электронов, образующими букву А.
- Подобный символ, атомный вихрь , был выбран в качестве символа американских атеистов и стал использоваться как символ атеизма в целом.
- Юникода » Кодовая точка «Разные символы U+269B (⚛) использует атом Резерфорда.
- В телешоу «Теория большого взрыва» в качестве логотипа используется атом Резерфорда.
- Библиотека JavaScript React использует в качестве логотипа атом Резерфорда.
- На картах он обычно используется для обозначения атомной электростанции .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лахтакия А., изд. (1996). Модели и моделисты водорода: Фалес, Томсон, Резерфорд, Бор, Зоммерфельд, Гаудсмит, Гейзенберг, Шрёдингер, Дирак, Зальгофер . Сингапур; Ривер Эдж, Нью-Джерси: World Scientific. ISBN 978-981-02-2302-1 .
- ^ Хельге Краг (октябрь 2010 г.). До Бора: Теории строения атома 1850-1913 гг . RePoSS: Научные публикации по научным исследованиям 10. Орхус: Центр научных исследований, Орхусский университет.
- ^ Э. Резерфорд, «Рассеяние α- и β-частиц веществом и структура атома» , Философский журнал . Серия 6, том. 21 . май 1911 г.
- ^ Лекция 1926 г. на Нобелевскую премию по физике
- ^ «Динамическая теория электрической и светоносной среды. — Часть III». Джозеф Лармор, Фил. Пер., А, вып. 190, 1897, стр. 205–300.
- ^ Николас Джордано (1 января 2012 г.). Студенческая физика: рассуждения и взаимосвязи . Cengage Обучение. стр. 1051–. ISBN 978-1-285-22534-0 .
- ^ Констан, Зак (2010). «Изучение ядерной науки с помощью шариков». Учитель физики . 48 (2): 114–117. Бибкод : 2010PhTea..48..114C . дои : 10.1119/1.3293660 .
