RUTHERFORDIN ATOMIMALLI: HISTORIA, KOKEILUT, POSTULAATIT - FYYSINEN - 2026

Rutherford atomi malli on kuvaus atomin luoma brittiläinen fyysikko Ernest Rutherford (1871-1937) löydettiin 1911 atomiytimen kuuluisan hajonta kokeita, jotka ottavat heidän nimensä.

Idea atomista (kreikalla "jakamaton") aineen pienimmänä komponenttina oli antiikin Kreikassa syntynyt älyllinen luomus noin 300 eKr. Kuten monet muutkin kreikkalaiset käsitteet, atomin käsitettä kehitetään logiikka ja argumentaatio, mutta ei kokeilu.

Rutherfordin atomimalli

Merkittävimmät atomistiset filosofit olivat Abderan demokraatti (460 - 360 eKr.), Samosin epikaurus (341 - 270 eKr.) Ja Titus Lucretius (98 - 54 eKr.). Kreikkalaiset keksivät neljä erityyppistä atomia, jotka vastasivat neljää elementtiä, jotka heidän mukaansa muodostivat ainetta: ilma, vesi, maa ja tuli.

Myöhemmin Aristoteles lisäisi viidennen elementin: tähdet muodostavan eetterin, koska muut neljä elementtiä olivat puhtaasti maanpäällisiä.

Aleksanteri Suuren, jonka opettaja oli Aristoteles, valloitukset laajensivat hänen uskomuksiaan muinaiseen maailmaan, Espanjasta Intiaan, ja siten atomin idea loi vuosisatojen ajan oman paikan tiedemaailmassa.

Atomi ei ole enää jakama

Kreikkalaisten filosofien ideat aineen rakenteesta olivat toteutuneet satojen vuosien ajan, kunnes englantilainen kemisti ja kouluopettaja nimeltä John Dalton (1776-1844) julkaisi kokeilujensa tulokset vuonna 1808.

Dalton oli yhtä mieltä siitä, että elementit koostuvat erittäin pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi. Mutta hän meni pidemmälle ilmoittamalla, että kaikki saman elementin atomit ovat samat, niillä on sama koko, sama massa ja samat kemialliset ominaisuudet, minkä vuoksi ne pysyvät muuttumattomina kemiallisen reaktion aikana.

Tämä on ensimmäinen tieteellisesti perusteltu atomimalli. Kreikkalaisten tavoin Dalton piti atomia edelleen jakamattomana, minkä vuoksi sillä ei ollut rakennetta. Daltonin nero sai hänet kuitenkin noudattamaan yhtä fysiikan suurista säilyttämisperiaatteista:

• Kemiallisissa reaktioissa atomeja ei luoda eikä tuhota, ne vain muuttavat jakautumistaan.

Ja hän löysi tavan, jolla "yhdisteatomit" (molekyylit) muodostavat kemiallisia yhdisteitä:

• Kun kaksi tai useampia atomien eri elementtejä yhdistyvät muodostaen saman yhdisteen, ne tekevät sen aina määritellyissä ja vakioissa massaosuuksissa.

1800-luku oli suuri sähkön ja magnetismin vuosisata. Muutama vuosi Daltonin julkaisujen jälkeen joidenkin kokeiden tulokset asettivat tutkijoiden epäilykseen atomin jakamattomuudesta.

Crookes-putki

Crookes-putki oli brittiläisen kemian ja meteorologin William Crookesin (1832-1919) suunnittelema laite. Crookesin vuonna 1875 suorittama koe koostui kahden elektrodin asettamisesta matalalla paineella täytetyn putken sisään, toista katodiksi ja toista anodiksi.

Asettamalla potentiaaliero kahden elektrodin välillä, kaasu hehkui käytetylle kaasulle ominaisella värillä. Tämä tosiasia sai meidät ajattelemaan, että atomissa oli tietty tietty organisaatio ja että siksi se ei ollut jakama.

Lisäksi tämä säteily tuotti heikon fluoresenssin katodin edessä olevan lasiputken seinämällä, leikkaamalla putken sisällä olevan ristinmuotoisen merkin varjon.

Se oli salaperäinen "katodisäteinä" tunnettu säteily, joka kulki suorassa linjassa anodin kanssa ja oli erittäin energinen, kykeni tuottamaan mekaanisia vaikutuksia ja suuntautui kohti positiivisesti varautunutta levyä tai myös magneetteja.

Elektronin löytö

Crookes-putken sisällä oleva säteily ei voinut olla aaltoa, koska se kantoi negatiivisen varauksen. Joseph John Thomson (1856 - 1940) keksi vastauksen vuonna 1887, kun hän löysi tämän säteilyn varauksen ja massan välisen suhteen ja totesi, että se oli aina sama: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, kaasusta riippumatta suljetaan putkeen tai katodin valmistukseen käytettyyn materiaaliin.

Thomson kutsui näitä hiukkasia verisoluiksi. Mittaamalla sen massaa suhteessa sen sähkövaraukseen, hän päätteli, että kukin runko oli huomattavasti pienempi kuin atomi. Siksi hän ehdotti, että heidän tulisi olla osa näitä, ja löytää siten elektronin.

Brittiläinen tiedemies piirsi ensimmäisenä atomin graafisen mallin piirtämällä palloa, johon oli lisätty pisteitä, jolle muodonsa vuoksi annettiin lempinimi "luumuvanukas". Mutta tämä löytö herätti muita kysymyksiä:

• Jos aine on neutraali ja elektronilla on negatiivinen varaus: missä atomissa on positiivinen varaus, joka neutraloi elektronit?
• Jos elektronin massa on pienempi kuin atomin massa, mistä muu atomin koostuu?
• Miksi näin saadut hiukkaset olivat aina elektronia eikä koskaan toisen tyyppisiä?

Rutherfordin sirontakokeet: atomin ydin ja protoni

Vuoteen 1898 mennessä Rutherford oli tunnistanut uraanin kahta säteilytyyppiä, joista hän nimitti alfa ja beeta.

Luonnollisen radioaktiivisuuden oli löytänyt Marie Curie jo vuonna 1896. Alfahiukkaset ovat positiivisesti varautuneita ja ovat yksinkertaisesti heliumydimiä, mutta tuolloin käsitettä ytimestä ei ollut vielä tiedossa. Rutherford oli aikeissa selvittää.

Yksi kokeista, jotka Rutherford suoritti vuonna 1911 Manchesterin yliopistossa Hans Geigerin avulla, koostui ohuen kultakalvon pommittamisesta alfahiukkasilla, joiden varaus on positiivinen. Kultafolion ympärille hän asetti loisteputken, jonka avulla he pystyivät visualisoimaan pommituksen vaikutukset.

havaintoja

Tutkimalla vaikutuksia loisteputkeen, Rutherford ja hänen avustajansa havaitsivat, että:

1. Erittäin suuri osa alfahiukkasista kulki levyn läpi ilman huomattavia poikkeamia.
2. Jotkut poikkesivat melko jyrkistä kulmista
3. Ja hyvin harvat palasivat takaisin

Rutherfordin sirontakokeet. Lähde:.

Havainnot 2 ja 3 yllättivät tutkijoita ja johtivat heitä olettamaan, että säteiden sironnasta vastuussa olevalla henkilöllä on oltava positiivinen varaus ja että havainnonumeron 1 perusteella kyseinen henkilö on paljon pienempi kuin alfahiukkaset..

Rutherford itse sanoi siitä, että se oli "… kuin ampuisit 15 tuuman merivoimia ammukselle paperiarkille ja ammus palautui takaisin ja osui sinua". Tätä ei ehdottomasti voida selittää Thompson-mallilla.

Analysoidessaan tuloksiaan klassisesta näkökulmasta, Rutherford oli löytänyt atomin ytimen olemassaolon, jossa atomin positiivinen varaus oli keskittynyt, mikä antoi sille neutraalin.

Rutherford jatkoi sirontakokeitaan. Vuoteen 1918 mennessä uusi alfahiukkasten tavoite oli typpikaasiatomit.

Tällä tavoin hän havaitsi vetytuumat ja tiesi heti, että ainoa paikka, josta nämä ytimet voivat tulla, oli itse typpi. Kuinka oli mahdollista, että vetyydyt olivat osa typpeä?

Rutherford ehdotti sitten, että vedyn ytimen, elementin, jolle oli jo annettu atominumero 1, tulee olla perushiukkas. Hän kutsui sitä protoniksi, kreikan sana ensin. Siten atomin ytimen ja protonin löytöt johtuvat tästä loistavasta uusiseelantilaisesta.

Rutherfordin atomimalli postuloi

Uusi malli oli hyvin erilainen kuin Thompson. Nämä olivat hänen postulaatteja:

• Atomi sisältää positiivisesti varautuneen ytimen, joka, vaikka se on hyvin pieni, sisältää melkein koko atomin massan.
• Elektronit kiertävät atomin ytimen suurilla etäisyyksillä ja ympyrän tai elliptin kiertoradalla.
• Atomin nettovaraus on nolla, koska elektronien varaukset kompensoivat ytimessä olevan positiivisen varauksen.

Rutherfordin laskelmat osoittivat ytimen, jonka muoto on pallomainen ja jonka säde on niin pieni kuin ^10-15 m, ^atomisäteen arvo on noin 100 000 kertaa suurempi, koska ytimet ovat suhteellisen kaukana toisistaan: luokkaa ^10-10 m.

Nuori Ernest Rutherford. Lähde: Tuntematon, julkaistu vuonna 1939 Rutherfordissa: Rt. Kunnian elämä ja kirjeet. Lord Rutherford, O. M

Tämä selittää, miksi suurin osa alfahiukkasista kulki levyn läpi sujuvasti tai joilla oli vain hyvin pieni taipuma.

Arjen esineiden mittakaavassa Rutherford-atomi koostuisi baseball-kokoisesta ytimestä, kun taas atomin säde olisi noin 8 km. Siksi atomia voidaan pitää melkein kaiken tyhjänä.

Pienen aurinkojärjestelmän muistumisen ansiosta siitä tuli tunnetuksi "atomin planeettamalli". Ytimen ja elektronien välinen sähköstaattinen vetovoima olisi analoginen auringon ja planeettojen välisen painovoiman vetovoiman kanssa.

rajoitukset

Joistakin havaituista tosiasioista oli kuitenkin erimielisyyksiä:

• Jos ajatus siitä, että elektroni kiertää ytimen ympärillä, hyväksytään, tapahtuu, että elektronin tulisi jatkuvasti emittoida säteilyä, kunnes se törmää ytimeen, ja seurauksena on atomin tuhoutuminen selvästi sekunnissa. Tämä ei onneksi ole mitä tapahtuu.
• Lisäksi tietyissä tilanteissa atomi säteilee tiettyjä sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia, kun tapahtuu siirtymiä korkeamman energian tilan välillä sellaiseen, jonka energia on alhaisempi, ja vain ne taajuudet, ei muita. Kuinka selittää tosiasian, että energia kvantisoidaan?

Näistä rajoituksista huolimatta, koska nykyään on huomattavasti kehittyneempiä malleja havaittujen tosiasioiden mukaisesti, Rutherfordin atomimalli on silti hyödyllinen opiskelijalle ensimmäisessä onnistuneessa lähestymistavassa atomiin ja sen ainesosiin.

Tässä atomimallissa neutroni ei ilmesty, ytimen toinen aineosa, joka löydettiin vasta vuonna 1932.

Pian sen jälkeen, kun Rutherford ehdotti planeettamalliaan, tanskalainen fyysikko Niels Bohr muutti sitä vuonna 1913 selittääkseen miksi atomia ei tuhota. Olemme edelleen täällä kertoaksemme tämän tarinan.

Kiinnostavat artikkelit

Schrödingerin atomimalli.

De Broglie-atomimalli.

Chadwickin atomimalli.

Heisenbergin atomimalli.

Perrinin atomimalli.

Thomsonin atomimalli.

Dirac Jordan-atomimalli.

Democrituksen atomimalli.

Bohrin atomimalli.

Daltonin atomimalli.

Viitteet

1. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Luokan muistiinpanot radiobiologian ja säteilysuojelun puheenjohtajalle. Venezuelan keskusyliopiston kansanterveyden laitos.