Модель Резерфорда - Rutherford model

Принципиальная схема модели атомного ядра: электроны показаны зеленым цветом, а ядро ​​- красным.
Трехмерная анимация атома с использованием модели Резерфорда

В Модель Резерфорда был разработан физиком из Новой Зеландии Эрнест Резерфорд описать атом. Резерфорд руководил Эксперимент Гейгера – Марсдена в 1909 г., что на основании анализа Резерфорда 1911 г. предположило, что Дж. Дж. Томсон с сливовый пудинг модель атома было неверным. Новая модель Резерфорда[1] поскольку атом, основываясь на экспериментальных результатах, содержал новые особенности относительно высокого центрального заряда, сосредоточенного в очень малом объеме по сравнению с остальной частью атома, и этот центральный объем также содержал основную часть атома. атомная масса атома. Этот регион будет известен как "ядро "атома.

Экспериментальная основа модели

Резерфорд перевернул модель Томсона в 1911 году своим хорошо известным эксперимент с золотой фольгой в котором он продемонстрировал, что атом имеет крошечное и тяжелое ядро. Резерфорд разработал эксперимент, чтобы использовать альфа-частицы испускается радиоактивным элементом в качестве зондов в невидимый мир атомной структуры. Если Томсон был прав, луч проходил бы прямо через золотую фольгу. Большая часть лучей прошла через фольгу, но некоторые были отклонены.

Резерфорд представил свою собственную физическую модель субатомной структуры как интерпретацию неожиданных экспериментальных результатов. В нем атом состоит из центрального заряда (это современный атомное ядро, хотя Резерфорд не использовал термин «ядро» в своей статье), окруженное облаком (предположительно) движущихся по орбите электроны. В этой статье от мая 1911 года Резерфорд посвятил себя только небольшой центральной области очень высокого положительного или отрицательного заряда в атоме.

Для конкретности рассмотрим прохождение высокоскоростной α-частицы через атом, имеющий положительный центральный заряд. N е, и окруженный компенсационным зарядом N электроны.[2]

Из чисто энергетических соображений о том, как далеко частицы известной скорости смогут проникнуть к центральному заряду в 100 э, Резерфорд смог вычислить, что радиус его золото центральный заряд должен быть меньше (насколько меньше нельзя сказать), чем 3,4 × 10−14 метров. Это было в известном атоме золота 10−10 метров или около того в радиусе - очень удивительное открытие, поскольку оно подразумевает сильный центральный заряд менее 1/3000 диаметра атома.

Модель Резерфорда служила для концентрации значительной части заряда и массы атома в очень маленьком ядре, но не приписывала никакой структуры оставшимся электронам и оставшейся атомной массе. В нем упоминалась атомная модель Хантаро Нагаока, в котором электроны расположены в одном или нескольких кольцах, с определенной метафорической структурой стабильных колец Сатурна. В сливовый пудинг модель Дж. Дж. Томсона также имел кольца вращающихся электронов. Жан Батист Перрен заявил в своей Нобелевской лекции[3] что он был первым, кто предложил модель в своей статье 1901 года.

В статье Резерфорда предполагалось, что центральный заряд атома может быть «пропорционален» его атомной массе в единицы массы водорода u (примерно 1/2 от него в модели Резерфорда). Для золота это массовое число составляет 197 (неизвестно в то время с большой точностью), и поэтому, по модели Резерфорда, оно, возможно, равно 196 u. Однако Резерфорд не пытался напрямую связать центральный заряд с атомный номер, поскольку «атомный номер» золота (при который время просто его номер места в периодическая таблица ) было 79, и Резерфорд смоделировал заряд примерно как +100 единиц (он фактически предложил 98 единиц положительного заряда, что составляет половину от 196). Таким образом, Резерфорд формально не предполагал, что эти два числа (место в периодической таблице, 79 и заряд ядра, 98 или 100) могут быть совершенно одинаковыми.

Через месяц после публикации статьи Резерфорда предложение относительно точного тождества атомного номера и заряда ядра был сделан Антониус ван ден Брук, а затем подтверждено экспериментально в течение двух лет Генри Мозли.

Это ключевые показатели -

  • Атома электронное облако не влияет 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 заряда, которое может составлять примерно половину) атомной атомная масса - остальная масса, как теперь известно, в основном приписывается нейтроны. Эта концентрированная центральная масса и заряд ответственны за отклонение как альфы, так и бета частицы.
  • 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 заряд. импульс по сравнению с электронами, но не в отношении тяжелого атома в целом.
  • Сам атом около 100000 (105) умножить на диаметр ядра.[4] Это могло быть связано с помещением песчинки в середину футбольное поле.[5]

Вклад в современную науку

После открытия Резерфорда ученые начали понимать, что атом в конечном счете не является отдельной частицей, а состоит из гораздо более мелких субатомных частиц. Последующие исследования определили точную атомную структуру, которая привела Резерфорда к эксперимент с золотой фольгой. Ученые в конце концов обнаружили, что атомы имеют положительно заряженное ядро ​​(с точным атомным числом зарядов) в центре с радиусом около 1,2 × 10.−15 метры × [атомное массовое число]​1⁄3. Электронов оказалось еще меньше.

Позже ученые нашли ожидаемое количество электронов (такое же, как атомный номер) в атоме, используя Рентгеновские лучи. Когда рентгеновские лучи проходят через атом, некоторые из них разбросанный, а остальное проходит через атом. Поскольку рентгеновское излучение теряет свою интенсивность, главным образом, из-за рассеяния на электронах, по скорости уменьшения интенсивности рентгеновского излучения можно точно оценить количество электронов, содержащихся в атоме.

Символизм

Смотрите также: Модель Бора
Щит Комиссии по атомной энергии США

Согласно Нагаока, модель Резерфорда основывалась на идее множества электронов в кольцах. Однако как только Нильс Бор преобразовал эту точку зрения в картину всего лишь нескольких планетоподобных электронов для легких атомов, модель Резерфорда-Бора захватила воображение публики. С тех пор он постоянно использовался как символ атомов и даже «атомной» энергии (хотя это более правильно считать ядерной энергией). Примеры его использования за последнее столетие включают, но не ограничиваются:

Рекомендации

  1. ^ Ахлеш Лахтакия (Ред.); Солпитер, Эдвин Ε. (1996). «Модели и моделисты водорода». Американский журнал физики. World Scientific. 65 (9): 933. Bibcode:1997AmJPh..65..933L. Дои:10.1119/1.18691. ISBN  981-02-2302-1.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  2. ^ Э. Резерфорд, «Рассеяние α- и β-частиц веществом и структура атома», Философский журнал. Серия 6, т. 21. Май 1911 г.
  3. ^ 1926 г. Лекция для получения Нобелевской премии по физике
  4. ^ Николас Джордано (1 января 2012 г.). Физика в колледже: рассуждения и отношения. Cengage Learning. С. 1051–. ISBN  1-285-22534-1.
  5. ^ Констан, Зак (2010). «Изучение ядерной науки с помощью шариков». Учитель физики. 48 (2): 114. Bibcode:2010PhTea..48..114C. Дои:10.1119/1.3293660.

внешняя ссылка