RUTHERFORDS ATOMMODEL: HISTORIE, EKSPERIMENTER, POSTULATER - FYSISK - 2025

Den Rutherford atommodel er beskrivelsen af atomet skabt af den britiske fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) opdaget i 1911, da atomkernen ved de berømte scattering eksperimenter, der tager deres navn.

Ideen om atomet ("udelelig" på græsk) som den mindste bestanddel af materien var en intellektuel skabelse født i det antikke Grækenland omkring 300 f.Kr. Ligesom så mange andre græske begreber udvikles atomets koncept baseret på logik og argumentation, men ikke eksperimentering.

Rutherfords atommodel

De mest bemærkelsesværdige atomistiske filosoffer var Democritus of Abdera (460 - 360 f.Kr.), Eposurus fra Samos (341 - 270 f.Kr.) og Titus Lucretius (98 - 54 f.Kr.). Grækerne undfangede fire forskellige typer atomer, der svarede til de fire elementer, der ifølge dem udgjorde stof: luft, vand, jord og ild.

Senere tilføjede Aristoteles et femte element: den æter, der dannede stjernerne, da de fire andre elementer var rent jordiske.

Erobringerne af Alexander den Store, hvor Aristoteles var lærer, udvidede sin tro over hele den antikke verden, fra Spanien til Indien, og således skabte ideen om atomet i århundreder sit eget sted i videnskabens verden.

Atomet er ikke længere udeleligt

Ideerne fra de græske filosofer om materiens struktur blev sandt i hundreder af år, indtil en engelsk kemiker og skolelærer ved navn John Dalton (1776-1844) offentliggjorde resultaterne af hans eksperimenter i 1808.

Dalton var enig i, at elementer består af ekstremt små partikler, kaldet atomer. Men han gik videre ved at oplyse, at alle atomer i det samme element er ens, har samme størrelse, samme masse og de samme kemiske egenskaber, hvilket får dem til at forblive uændrede under en kemisk reaktion.

Dette er den første videnskabeligt baserede atommodel. Ligesom grækerne betragtede Dalton stadig atomet som udelelig, derfor manglende struktur. Imidlertid førte Daltons geni til at observere et af de store bevaringsprincipper i fysik:

• I kemiske reaktioner oprettes eller ødelægges atomer hverken, de ændrer kun deres distribution.

Og han etablerede den måde, hvorpå kemiske forbindelser dannes af "sammensatte atomer" (molekyler):

• Når to eller flere atomer af forskellige elementer kombineres for at danne den samme forbindelse, gør de det altid i definerede og konstante masseforhold.

Det 19. århundrede var det store århundrede med elektricitet og magnetisme. Få år efter Daltons publikationer rejste resultaterne af nogle eksperimenter tvivl om forskere om atomets udelelighed.

Skæve rør

Crookes-røret var en anordning designet af den britiske kemiker og meteorolog William Crookes (1832-1919). Eksperimentet, som Crookes udførte i 1875, bestod af at placere i et rør fyldt med gas ved lavt tryk to elektroder, den ene kaldte katoden og den anden kaldte anoden.

Ved at etablere en potentialeforskel mellem de to elektroder, glødede gassen med en farve, der var karakteristisk for den anvendte gas. Denne kendsgerning antydede, at der var en bestemt organisation i atomet, og at den derfor ikke var udelelig.

Endvidere frembragte denne stråling en svag fluorescens på væggen i glasrøret foran katoden, hvilket skar skyggen af ​​et krydsformet mærke placeret inde i røret.

Det var en mystisk stråling kendt som "katodestråler", der kørte i en lige linje til anoden og var meget energisk, i stand til at frembringe mekaniske effekter, og som blev afbøjet mod en positivt ladet plade eller også gennem magneter.

Opdagelsen af ​​elektronet

Strålingen inde i Crookes-røret kunne ikke være bølger, da det medførte en negativ ladning. Joseph John Thomson (1856 - 1940) kom med svaret i 1887, da han fandt forholdet mellem ladning og masse af denne stråling, og fandt, at det altid var det samme: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, uanset gas lukket i røret eller det materiale, der bruges til at fremstille katoden.

Thomson kaldte disse partikler korpuskler. Ved at måle dens masse i forhold til dets elektriske ladning konkluderede han, at hvert korpuskel var langt mindre end et atom. Derfor foreslog han, at de skulle være en del af disse og således opdage elektronet.

Den britiske videnskabsmand var den første til at tegne en grafisk model af atomet ved at tegne en kugle med indsatte punkter, som på grund af dens form fik tilnavnet "blomme budding". Men denne opdagelse rejste andre spørgsmål:

• Hvis stof er neutral, og elektronet har en negativ ladning: hvor i atomet er den positive ladning, der neutraliserer elektronerne?
• Hvis elektronens masse er mindre end atomets, hvad består da resten af ​​atomet af?
• Hvorfor blev partiklerne således altid opnået elektroner og aldrig af en anden type?

Rutherford-spredningseksperimenter: atomkernen og protonen

I 1898 havde Rutherford identificeret to typer af stråling fra uran, som han benævnt alpha og beta.

Naturlig radioaktivitet var allerede blevet opdaget af Marie Curie i 1896. Alfapartikler er positivt ladede og er simpelthen heliumkerner, men på det tidspunkt var begrebet en kerne endnu ikke kendt. Rutherford var ved at finde ud af det.

En af eksperimenterne, som Rutherford udførte i 1911 på University of Manchester med hjælp fra Hans Geiger, bestod af at bombardere en fin guldfolie med alfa-partikler, hvis ladning er positiv. Omkring guldfolien placerede han en lysstofrør, der gjorde det muligt for dem at visualisere virkningerne af bombardementet.

Observationer

Rutherford og hans assistenter studerede virkningerne på den lysstofrør, og observerede, at:

1. En meget høj procentdel af alfapartikler passerede gennem arket uden mærkbar afvigelse.
2. Nogle afvigede i ganske stejle vinkler
3. Og meget få sprang helt tilbage

Rutherford spredningseksperimenter. Kilde:.

Observationer 2 og 3 overraskede forskerne og førte dem til at antage, at den person, der var ansvarlig for spredningen af ​​strålene, må have en positiv ladning, og at den ansvarlige person i kraft af observation nummer 1 var meget mindre end alfa-partiklerne..

Rutherford sagde selv om det, at det var "… som om du fyrede et 15-tommer marineprojektil mod et ark papir, og projektilet sprang tilbage og ramte dig." Dette kunne bestemt ikke forklares med Thompson-modellen.

Ved at analysere hans resultater fra det klassiske synspunkt havde Rutherford opdaget eksistensen af ​​atomkernen, hvor atomets positive ladning blev koncentreret, hvilket gav det sin neutralitet.

Rutherford fortsatte sine spredningseksperimenter. I 1918 var det nye mål for alfa-partikler nitrogenatomer.

På denne måde opdagede han brintkerner og vidste straks, at det eneste sted, hvorfra disse kerner kunne komme, var fra selve nitrogenet. Hvordan var det muligt, at brintkerner var en del af nitrogen?

Rutherford foreslog derefter, at kernen af ​​hydrogen, et element, der allerede var tildelt atomnummer 1, skal være en grundlæggende partikel. Han kaldte det proton, et græsk ord for det første. Således skyldes opdagelserne af atomkernen og protonen denne strålende New Zealander.

Rutherfords atommodel postulerer

Den nye model var meget forskellig fra Thompson. Dette var hans postulater:

• Atomet indeholder en positivt ladet kerne, der til trods for at være meget lille, indeholder næsten al atomets masse.
• Elektroner kredser om atomkernen i store afstande og i cirkulære eller elliptiske kredsløb.
• Atomets nettoladning er nul, da elektronernes ladninger kompenserer for den positive ladning, der er til stede i kernen.

Rutherfords beregninger pegede på en kerne med en kugleformet form og en radius så lille som ^10-15 m, idet værdien af ​​atomradiusen er ca. 100.000 gange større, da kernerne er relativt langt fra hinanden: i størrelsesordenen ^10-10 m.

Unge Ernest Rutherford. Kilde: Ukendt, offentliggjort i Rutherford i 1939: at være liv og breve fra Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Dette forklarer, hvorfor de fleste alfapartikler passerede let gennem arket eller kun havde meget lidt afbøjning.

Set i skala fra hverdagens genstande ville Rutherford-atomet være sammensat af en kerne på størrelse med en baseball, mens atomradiusen ville være omkring 8 km. Derfor kan atomet betragtes som næsten alt som tomt rum.

Takket være sin lighed med et miniature solsystem blev det kendt som "planetens model for atomet." Den elektrostatiske tiltrækningskraft mellem kerne og elektroner ville være analog med gravitationsattraktionen mellem solen og planeterne.

Begrænsninger

Der var dog visse uenigheder om nogle observerede kendsgerninger:

• Hvis ideen om, at elektronet kredser rundt om kernen, accepteres, sker det, at elektronet kontinuerligt skal udsende stråling, indtil det kolliderer med kernen, med den deraf følgende ødelæggelse af atomet i godt under et sekund. Dette er heldigvis ikke det, der faktisk sker.
• Videre udsender atomet ved bestemte lejligheder visse frekvenser af elektromagnetisk stråling, når der er overgange mellem en tilstand af højere energi til en med lavere energi, og kun disse frekvenser, ikke andre. Hvordan forklares det faktum, at energi kvantificeres?

På trods af disse begrænsninger, da der i dag er meget mere sofistikerede modeller på linje med de observerede kendsgerninger, er Rutherfords atommodel stadig nyttig for den studerende til at have en vellykket første tilgang til atomet og dets bestanddele.

I denne model af atomet vises neutronen ikke, en anden bestanddel af kernen, som først blev opdaget før i 1932.

Kort efter Rutherford foreslog sin planetariske model i 1913 ville den danske fysiker Niels Bohr ændre det for at forklare, hvorfor atomet ikke ødelægges, og vi er stadig her for at fortælle denne historie.

Artikler af interesse

Schrödingers atommodel.

De Broglie atommodel.

Chadwicks atommodel.

Heisenberg atommodel.

Perrins atommodel.

Thomsons atommodel.

Dirac Jordan atommodel.

Atomisk model af Democritus.

Bohrs atommodel.

Daltons atommodel.

Referencer

1. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Klassenotater til formand for radiobiologi og radiologisk beskyttelse. Skolen for folkesundhed ved det centrale universitet i Venezuela.