что представляет собой атом согласно модели резерфорда
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.
Каково строение атома согласно ядерной модели Резерфорда
Внутренняя структура атома — что это такое
Определение, предпосылки открытия, кто открыл модель, в каком году
И физика, и химия, а также другие науки долгое время старались найти ответ на вопрос о строении атома. Данное знание позволило бы науке продвинуться в изучении химических элементов, их свойств, связей между ними и их соединениях в веществах.
Атом — наименьшая часть химического элемента, сохраняющая его свойства.
Стоит отметить, что с древнегреческого слово «атом» переводится как «неделимый». Позже, ученые, открывшие атом, предполагали, что обнаружили самую маленькую частицу в мире, которая не способная расщепляться, делиться или изменяться сама по себе.
Однако в конце XIX — начале XX веков данные представления были опровергнуты.
Предпосылками к открытию внутреннего строения атома стали:
В 1909 – 1911 годах свои опыты продолжал Э. Резерфорд. Он заявил об открытии, перевернувшем представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира.
В докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» Резерфорд говорил об:
«…атоме, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».
Опыт Резерфорда по бомбардировке золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами показал, что некоторые частицы заметно отклонялись от первоначального направления движения. Открытие привело к установлению внутренней структуры атома.
Благодаря открытиям ученых конца XIX — начала XX веков удалось определить, что атом состоит из:
Атомное ядро состоит из элементарных частиц:
Модель атома Резерфорда сменила ранее главенствовавшую модель Томсона о строении атома по принципу «пудинга с изюмом». Согласно планетарной модели атома он:
«…состоит из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца».
На самом деле, Резерфорд не создал новую модель атома. Своими опытами он опроверг одну модель Томсона и подтвердил состоятельность другой, которая изначально предполагала планетарное строение атома.
Самой сложной частью атома в то время являлось и до сих пор остается атомное ядро. Точное теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих его. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых являются взаимоисключающими, противоречащими или дополняющими друг друга.
Теории строения атомного ядра начали выдвигаться учеными в 30-х годах 20 века. Были предложены:
Каково строение согласно модели Резерфорда
На сегодняшний день модель Резерфорда является единой утвержденной во всем мире. Атом, согласно общим представлением, представляет собой структуру, напоминающую планеты в космосе, вращающиеся вокруг Солнца.
Основная масса атома находится в атомном ядре, которое очень мало по отношению ко всему атому. Ядро положительно заряжено благодаря заряду протонов внутри него. Его размер равен примерно 10-14 — 10-15 метрам относительно размера всего атома, равного 10-10 метрам.
Вокруг атомного ядра по своим орбитам — электронным орбиталям — вращаются планеты-электроны. Они имеют отрицательный заряд, и в сумме с положительным зарядом ядра делают заряд всего атома электронейтральным.
Чем отличается от модели Томпсона
Модель Томсона, также называемая «пудинговой моделью атома», была предложена в 1904 году. Она появилась в период между двумя решающими для строения атома открытиями — уже после открытия электрона, но еще до открытия атомного ядра.
Томсон в своей модели атома попытался ответить на вопрос нейтрального заряда атома при явном наличии в нем отрицательно заряженных электронов.
Модель «пудинга с изюмом» объясняла это следующим образом:
Атом представляет собой массу, имеющую положительный заряд, с вкраплениями «изюминок» — отрицательно заряженных электронов, которые встроены в общую массу и равномерно распределены по ней, при этом они имеют возможность свободно передвигаться по объему пудинга.
Стоит отметить, что изначально Томсон предложил 3 модели, однако позже отказался от других в пользу «пудинговой». Ученого не останавливал факт того, что положительно заряженная часть атома была туманной и неисследованной.
Данная теория оказалась опровергнута Резерфордом в ходе его экспериментов по рассеиванию альфа-частиц.
Строение атома
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: планетарная модель атома.
Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, присущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом.
Модель Томсона
Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоенный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом».
Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1 ).
Рис. 1. Модель атома Томсона
Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.
Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.
Опыты Резерфорда
Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов!
Планетарная модель атома
Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3 ).
Рис. 3. Планетарная модель атома
В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.
Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.
Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.
Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!
Вопросы.
1. Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?
Томсон предложил модель согласно которой атом представляет собой электрически нейтральный шар, внутри которого равномерно распределен положительный заряд и, находятся отрицательно заряженные электроны, совершавшие колебательные движения около положения равновесия.
2. Пользуясь рисунком 168. расскажите, как проводился опыт по рассеянию α-частиц.
3. Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того. что некоторые α-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?
Резерфорд сделал вывод, что внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле (которое и отталкивает α- частицы) и, что такое поле может быть создано зарядом, сконцентрированном в очень малом объеме.
4. Что представляет собой атом согласно ядерной модели. выдвинутой Резерфордом?
Согласно модели Резерфорда в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована практически вся масса атома, вокруг которого движутся электроны.
5. По рисунку 169 расскажите, как проходят α-частицы сквозь атомы вещества согласно ядерной модели.
Что представляет собой атом согласно модели резерфорда
1. Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?
Английский физик Джозеф Джон Томсон предложил в 1903 г. одну из первых моделей строения атома.
По предположению Томсона, атом представляет собой шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд.
Внутри этого шара находятся электроны.
Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия.
Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому электрический заряд атома в целом равен нулю.
2. Как проводился опыт Резерфорда по рассеянию алфа-частиц?
В 1911 г. Резерфорд провёл ряд опытов по исследованию состава и строения атомов.
В опытах использовался свинцовый сосуд С с радиоактивным веществом Р, излучающим α-частицы.
Из этого сосуда α-частицы вылетали через узкий канал со скоростью порядка 15 000 км/с.
Для обнаружения частиц служил стеклянный экран Э.
Экран был покрыт тонким слоем специального вещества.
В местах попадания в экран α-частиц возникали вспышки, которые наблюдались с помощью микроскопа М.
Такой метод регистрации частиц называется методом, сцинтилляций (т. е. вспышек).
Вся становка находилась в сосуде, из которого был откачан воздух, чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха.
а) α-частицы падали на экран узким пучком.
Возникающие на экране вспышки сливались в одно световое пятно.
б) Затем на пути α-частиц поместили тонкую фольгу Ф.
При взаимодействии с металлом α-частицы рассеивались по всем направлениям на разные углы.
Основная часть α-частиц прошла сквозь фольгу, почти не изменив первоначального направления.
С увеличением угла рассеяния количество частиц резко уменьшалось.
3. Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того, что некоторые а-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?
Рассеяния α-частиц на большие углы дали Резерфорду наиболее важную информацию для понимания того, как устроены атомы веществ.
Резерфорд пришёл к выводу, что столь сильное отклонение α-частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле.
Такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объёме (по сравнению с объёмом атома).
4. Что представляет собой атом согласно ядерной модели, выдвинутой Резерфордом?
Поскольку масса электрона примерно в 8000 раз меньше массы α-частицы, электроны, входящие в состав атома, не могли существенным образом изменить направление движения α-частиц. Поэтому в данном случае речь может идти только о силах электрического отталкивания между α-частицами и положительно заряженной частью атома, масса которой значительно больше массы α-частицы.
Резерфорд создал ядерную (планетарную ) модель атома.
Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объём атома.
Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра.
Атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов.
5. Как проходят альфа-частицы сквозь атомы вещества согласно ядерной модели?
Траектория полёта α-частиц меняется в зависимости от того, на каком расстоянии от ядра они пролетают.
Сила действия на положительную α-частицу со стороны положительно заряженного ядра довольно быстро убывают с увеличением расстояния от ядра.
Направление полёта частицы сильно меняется только в том случае, если она проходит очень близко к ядру.
Большая часть всех α-частиц проходит сквозь атом на таких расстояниях от ядра, где сила отталкивания создаваемого им поля слишком мала, чтобы существенно изменить направление движения α-частиц.
Только очень немногие частицы пролетают рядом с ядром, т. е. в области сильного поля, и отклоняются на большие углы.
Именно такие результаты и были получены в опыте Резерфорда.