Čak iu vremenima antičke Grčke, filozofi su nagađali o unutrašnjoj strukturi materije. A prvi modeli strukture atoma pojavili su se početkom 20. stoljeća. Naučna zajednica tog vremena nije kritički percipirala hipotezu J. Thomsona – uostalom, prije nje su već bile iznesene različite teorije o tome šta se nalazi unutar najsitnijih čestica materije.

"Puding od grožđica", ili Thomsonov model

Sve do 19. veka naučnici su pretpostavljali da je atom nedeljiv. Međutim, sve se promijenilo nakon što je Joseph Thomson otkrio elektron 1897. godine - postalo je jasno da su naučnici pogriješili. I Thomsonov i Rutherfordov model atoma predstavljeni su početkom prošlog stoljeća. Prvi se pojavio model W. Thomsona, koji je sugerirao da je atom nakupina materije s pozitivnim električnim nabojem. Unutar ove gomile nalaze se ravnomjerno raspoređeni elektroni - zbog toga je ovaj model nazvan „kolačić“. Uostalom, prema njemu, elektroni u materiji su raspoređeni kao grožđice u kolaču. Još jedno nezvanično ime za model je "Puding od grožđica".

Zasluge J. Thomsona

Ovaj model je još detaljnije razvio J. J. Thomson. Za razliku od W. Thomsona, on je pretpostavio da se elektroni u atomu nalaze striktno u jednoj ravni, predstavljajući koncentrične prstenove. Unatoč jednakoj važnosti atomskih modela Thomsona i Rutherforda za nauku tog vremena, vrijedno je napomenuti da je J. Thomson, između ostalog, prvi predložio metodu za određivanje broja elektrona unutar atoma. Njegova metoda bila je zasnovana na rasejanju rendgenskih zraka. J. Thomson je sugerirao da su elektroni čestice koje bi trebale biti u središtu raspršenja zraka. Osim toga, Thomson je bio naučnik koji u modernim školama počinje proučavanje kvantne mehanike proučavanjem svojih otkrića.

Nedostaci Thomsonove teorije

Međutim, u poređenju sa Thomsonom, imao je jedan značajan nedostatak. Nije mogla objasniti diskretnu prirodu zračenja atoma. Uz njegovu pomoć bilo je nemoguće išta reći o razlozima stabilnosti atoma. Konačno je opovrgnuto kada su izvedeni Rutherfordovi čuveni eksperimenti. Thomsonov atomski model nije bio ništa manje vrijedan za nauku tog vremena od drugih hipoteza. Mora se uzeti u obzir da su svi ovi modeli dostupni u to vrijeme bili čisto hipotetički.

Karakteristike Rutherfordovog eksperimenta

1906-1909, G. Geiger, E. Mardsen i E. Rutherford izveli su eksperimente u kojima su alfa čestice bile raspršene po površini.Ukratko, Thomsonovi i Rutherfordovi atomski modeli su opisani na sljedeći način. U Thomsonovom modelu, elektroni su neravnomjerno raspoređeni u atomu, ali u Rutherfordovoj teoriji oni se rotiraju u koncentričnim ravnima. Karakterističan faktor u Rutherfordovom eksperimentu bila je upotreba alfa čestica umjesto elektrona. Alfa čestice, za razliku od elektrona, imale su mnogo veću masu i nisu pretrpjele značajna otklona kada su se sudarale s elektronima. Stoga su naučnici uspjeli zabilježiti samo one sudare koji su se dogodili s pozitivno nabijenim dijelom atoma.

Uloga Rutherfordovog otkrića

Ovo iskustvo je bilo presudno za nauku. Uz njegovu pomoć, naučnici su uspjeli dobiti odgovore na ona pitanja koja su ostala misterija za autore različitih atomskih modela. Thomson, Rutherford i Bohr, iako su imali istu pozadinu, ipak su dali donekle različite doprinose nauci - a rezultati Rutherfordovih eksperimenata u ovom slučaju bili su nevjerovatni. Njihovi rezultati bili su upravo suprotni od onoga što su naučnici očekivali da vide.

Većina alfa čestica prošla je kroz foliju duž ravnih (ili gotovo pravih) putanja. Međutim, putanje nekih alfa čestica odstupaju pod značajnim uglovima. A to je bio dokaz da je atom sadržavao formaciju s vrlo velikom gustinom i imao je pozitivan naboj. Godine 1911., na osnovu eksperimentalnih podataka, predstavljen je Rutherfordov model strukture atoma. Thomson, čija se teorija ranije smatrala dominantnom, u to vrijeme nastavio je raditi u laboratoriji Univerziteta Cavendish. Do kraja života, naučnik je nastavio vjerovati u postojanje mehaničkog etra, uprkos svim uspjesima u naučnim istraživanjima tog vremena.

Rutherfordov planetarni model

Saževši rezultate eksperimenata, iznio je glavne odredbe svoje teorije: prema njoj, atom se sastoji od teškog i gustog jezgra vrlo malih veličina; Oko ovog jezgra nalaze se elektroni koji su u neprekidnom kretanju. Polumjeri orbita ovih elektrona su također mali: iznose 10-9 m. Ovaj model je nazvan "planetarnim" zbog svoje sličnosti sa U njemu se planete kreću po eliptičnim orbitama oko ogromnog i masivnog centra sa privlačenjem - Sunca. .

Elektroni rotiraju u atomu takvom gigantskom brzinom da formiraju nešto poput oblaka oko površine atoma. Prema Rutherfordovoj teoriji, atomi se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog, što im omogućava da se ne drže zajedno. Uostalom, oko svakog od njih postoji negativno nabijena elektronska ljuska.

Thomson i Rutherford atomski modeli: glavne razlike

Koje su glavne razlike između dvije najvažnije teorije strukture atoma? Rutherford je pretpostavio da se u središtu atoma nalazi jezgro s pozitivnim električnim nabojem, čiji je volumen, u usporedbi s veličinom atoma, zanemarljiv. Thomson je pretpostavio da je cijeli atom formacija velike gustine. Druga velika razlika bilo je razumijevanje položaja elektrona u atomu. Prema Rutherfordu, oni se okreću oko jezgra, a njihov broj je približno jednak ½ atomske mase hemijskog elementa. U Thomsonovoj teoriji, elektroni unutar atoma su neravnomjerno raspoređeni.

Nedostaci Rutherfordove teorije

Međutim, i pored svih prednosti, u to vrijeme Rutherfordova teorija je sadržavala jednu važnu kontradikciju. Prema zakonima klasične elektrodinamike, elektron koji se rotira oko jezgra morao je stalno emitovati dijelove električne energije. Zbog toga bi radijus orbite duž koje se elektron kreće trebao kontinuirano emitovati elektromagnetno zračenje. Prema ovim idejama, životni vijek atoma trebao bi biti zanemariv.

Najčešće, kada se govori o otkriću unutrašnje strukture atoma, spominju se imena Thomsona i Rutherforda. Eksperimenti Rutherforda, čiji je atomski model danas poznat svakom studentu odsjeka fizike i matematike na univerzitetima, trenutno su dio historije nauke. Kada je Rutherford došao do svog otkrića, uzviknuo je: "Sada znam kako atom izgleda!" Međutim, u stvarnosti je pogriješio, jer je prava slika postala poznata naučnicima mnogo kasnije. Iako je Rutherfordov model bio predmet značajnih prilagođavanja tokom vremena, njegovo značenje je ostalo nepromijenjeno.

Bohr model

Međutim, pored Thomsonovog i Rutherfordovog modela atoma, postojala je još jedna teorija koja je objasnila unutrašnju strukturu ovih najmanjih čestica materije. Pripada Nielsu Boru, danskom fizičaru koji je predložio svoje objašnjenje 1913. Prema njegovom modelu, elektron u atomu ne poštuje standardne fizičke zakone. Bohr je bio naučnik koji je u nauku uveo koncept odnosa između radijusa orbite elektrona i njegove brzine.

U procesu stvaranja svoje teorije, Bohr je uzeo Rutherfordov model kao osnovu, ali ga je podvrgao značajnim modifikacijama. Atomski modeli Bohra, Rutherforda i Thomsona sada mogu izgledati pomalo jednostavni, ali su činili osnovu modernih ideja o unutrašnjoj strukturi atoma. Danas je kvantni model atoma opšteprihvaćen. Uprkos činjenici da kvantna mehanika ne može opisati kretanje planeta Sunčevog sistema, koncept orbite i dalje ostaje u teorijama koje opisuju unutrašnju strukturu atoma.

J. J. Thomson je 1903. godine predložio model atoma, prema kojem je atom sfera jednoliko ispunjena pozitivnim elektricitetom. Elektroni su uronjeni u ovaj medij i stupaju u interakciju sa elementima ovog medija prema Coulombovom zakonu (slika 4.1, A). Prema ovom modelu, atom kao cjelina je neutralan: ukupni naboj sfere i naboj elektrona je nula.

Spektar takvog atoma trebao je biti složen, ali ni na koji način isprepleten, što je u suprotnosti s eksperimentalnim podacima. Prema Thomsonovom modelu, oscilirajući elektron (oscilator) može emitovati elektromagnetski talas. Kada elektron odstupi od svog ravnotežnog položaja, javljaju se sile koje teže da ga vrate u ravnotežni položaj. Zbog toga nastaju vibracije elektrona koje uzrokuju zračenje atoma.

Predložen je i model atoma, prikazan na sl. 4.1, b: atom se sastojao od sfere, u čijem se središtu nalazilo pozitivno nabijeno jezgro, a oko nje su se nalazili elektroni. Međutim, ovaj model nije mogao objasniti rezultate eksperimenata.

Najpoznatiji je planetarni model atoma, koji je predložio engleski fizičar E. Rutherford (slika 4.1, c).

Prve eksperimente za proučavanje strukture atoma izveli su E. Rutherford i njegovi saradnici E. Marsden i H. Geiger 1909-1911. Rutherford je predložio korištenje atomskog sondiranja α -čestice koje nastaju tokom radioaktivnog raspada radijuma i neke

a B C

ostali elementi. Ovi eksperimenti postali su mogući zahvaljujući otkriću fenomena radioaktivnosti, u kojem se, kao rezultat prirodnog radioaktivnog raspada teških elemenata, oslobađaju čestice koje imaju pozitivan naboj jednak naboju dva elektrona čija je masa 4 puta veća od mase atoma vodonika, tj. oni su joni atoma helijuma. Energija -čestica koju emituju različiti teški hemijski elementi varira od eV za uranijum do eV za torijum. Težina α -čestice su otprilike 7300 puta veće od mase elektrona, a pozitivni naboj je jednak dvostrukom elementarnom naboju. U ovim eksperimentima smo koristili α -čestice sa kinetičkom energijom 5 MeV, što je odgovaralo njihovoj brzini od oko gospođa.

Ove čestice bombardirale su folije od teških metala (zlato, srebro, bakar itd.). Elektroni koji čine atome, zbog svoje male mase, ne mijenjaju svoju putanju α -čestice. Rasipanje, odnosno promjena smjera kretanja α -čestice mogu biti uzrokovane samo teškim, pozitivno nabijenim dijelom atoma.

Svrha Rutherfordovih eksperimenata bila je eksperimentalno testiranje osnovnih principa atomskog modela koji je predložio Thomson.

Šema Rutherfordovog eksperimenta raspršenja α -čestice je prikazano na sl. 4.2.

Ovdje je K olovni kontejner sa radioaktivnom supstancom, E je ekran presvučen cink sulfidom, F je zlatna folija, M je mikroskop. Iz radioaktivnog izvora zatvorenog u olovni kontejner, α -čestice su usmjerene na tanku metalnu foliju. Debljina folije je bila m (1 µm), što je ekvivalentno približno 400 slojeva atoma zlata. Posuto folijom α -čestice udaraju u ekran prekriven slojem kristala cink sulfida, sposobnih da usijaju pod udarima brzo naelektrisanih čestica. Scintilacije (bljeskovi) na ekranu su uočene okom

Koristeći mikroskop. Mikroskop i njegov pridruženi ekran mogu se rotirati oko ose koja prolazi kroz centar folije. One. uvijek je bilo moguće izmjeriti ugao otklona α -čestice iz pravolinijske putanje kretanja. Cijeli uređaj je stavljen u vakuum α -čestice se nisu raspršile prilikom sudara sa molekulima vazduha.

Zapažanja rasutih α -čestice u Rutherfordovom eksperimentu mogle bi se izvesti pod različitim uglovima φ u originalnom smjeru zraka. Utvrđeno je da većina α -čestice prolaze kroz tanak sloj metala, praktično ne doživljavajući otklon. Međutim, mali dio čestica je i dalje bio skretan pod značajnim uglovima većim od 30°. Veoma rijetko α -čestice (otprilike jedna od deset hiljada) su skretane pod uglovima blizu 180°. Ovaj rezultat je bio neočekivan, jer bio je u sukobu s Thomsonovim modelom atoma, prema kojem je pozitivni naboj raspoređen po cijelom volumenu atoma.

Sa takvom raspodjelom, pozitivno naelektrisanje ne može stvoriti jako električno polje sposobno za odbacivanje α -čestice nazad. Električno polje jednolično nabijene lopte je maksimalno na njenoj površini i smanjuje se na nulu kako se približava centru lopte. Ako se polumjer kugle u kojoj je koncentriran sav pozitivan naboj atoma smanji za n puta, tada bi se maksimalna sila odbijanja koja djeluje na α-česticu prema Coulombovom zakonu povećala za faktor od n 2 puta. Zatim, za dovoljno veliku vrijednost n α-čestice se mogu raspršiti pod velikim uglovima do 180°. Ova razmatranja su dovela Rutherforda do zaključka da je atom gotovo prazan, a sav njegov pozitivni naboj koncentrisan je u malom volumenu s dimenzijama reda.

10 -14 m. Rutherford je ovaj dio nazvao atomom atomski jezgro. Elektroni se, prema Rutherfordu, kreću oko jezgra s dimenzijama reda 10-14 m. Tako je nastao nuklearni model atoma (slika 4.1, V).

Na osnovu dobijenih rezultata, Rutherford je, uzimajući u obzir da elektroni atoma ne mogu značajno uticati na raspršivanje relativno teških i brzih čestica, došao do zaključaka koji su korišćeni kao osnova za planetarni (nuklearni) model atoma:

1) postoji jezgro u kojem je koncentrisana cijela masa atoma i sav njegov pozitivan naboj, a dimenzije jezgra su mnogo manje od veličine samog atoma;

2) elektroni koji čine atom kreću se oko jezgra po kružnim orbitama.

Na osnovu ove dvije premise i uz pretpostavku da je interakcija između upadne čestice i pozitivno nabijenog jezgra određena Coulombovim silama, Rutherford je ustanovio da atomska jezgra imaju dimenzije m, tj. oni su nekoliko puta manji od veličine atoma. Jezgro zauzima samo 10 -12 dijela ukupne zapremine atoma, ali sadrži sav pozitivan naboj i najmanje 99,95% njegove mase. Supstanca koja čini jezgro atoma ima kolosalnu gustinu ρ≈10 17 kg/m 3. Naboj jezgra mora biti jednak ukupnom naboju svih elektrona koji čine atom.

Nakon toga, bilo je moguće utvrditi da ako se naboj elektrona uzme kao jedan, onda je naboj jezgra tačno jednak broju datog elementa u periodnom sistemu. Veličina pozitivnog električnog naboja atomskog jezgra Z određena brojem protona u jezgri (a samim tim i brojem elektrona u atomskim omotačima), koji se poklapa s atomskim brojem elementa u periodnom sistemu. Naplata je Ze, Gdje e= 1.602 10 -19 Cl- apsolutna vrijednost elementarnog električnog naboja. Naboj određuje hemijska svojstva svih izotopa datog elementa.

Godine 1911. Rutherford je, koristeći Coulombov zakon, dobio formulu

Gdje N- količina α - čestice koje padaju u jedinici vremena na raspršivač; dN- broj raspršenih u jedinici vremena α -čestice u čvrstom uglju dΩ pod uglom θ ; Z e I n- naboj jezgara raspršivača i njihova koncentracija; dx− debljina sloja folije; V I mα - brzina i masa α -čestice

Direktne eksperimente za mjerenje naboja jezgri na osnovu Rutherfordove formule izveo je Chadwick 1920. godine. Šema Chadwickovog eksperimenta prikazana je na sl. 4.3.

Difuzor u obliku prstena (osenčen na slici 4.3) postavljen je koaksijalno i na jednakoj udaljenosti između izvora i detektora α -čestice D. Prilikom mjerenja količine dN rasutih α čestica, rupa u prstenu je zatvorena ekranom koji je apsorbovao direktan snop α čestica iz izvora

u detektor. Samo detektor snima α -čestice rasute po telu

ugao d Ω pod uglom θ na upadnu zraku α -čestice Zatim je prsten prekriven ekranom sa rupom i izmjerena je gustina struje α -čestice na lokaciji detektora. Na osnovu dobijenih podataka izračunali smo broj N α-čestice koje padaju na prsten u jedinici vremena. Dakle, ako je energija poznata α - čestice koje emituje izvor, veličina se lako odredila Z u formuli (4.1).

Rutherfordova formula je omogućila da se objasne eksperimentalni rezultati o rasejanju α -čestice na teškim jezgrima, što je dovelo do otkrića atomskog jezgra i stvaranja nuklearnog modela atoma.

Rutherfordov model atoma liči na Sunčev sistem. Zbog toga je nazvan Rutherfordov model planetarni model atoma. Ovaj model je bio značajan korak ka modernim idejama o strukturi atoma. Osnovni koncept atomskog jezgra, u kojem je koncentriran cijeli pozitivni naboj atoma i gotovo sva njegova masa, zadržao je svoje značenje do danas.

Međutim, za razliku od planetarnog modela Sunčevog sistema, ispostavlja se da je planetarni model atoma iznutra kontradiktoran sa stanovišta klasične fizike. I to je prije svega zbog prisutnosti naboja na elektronu. Prema zakonima klasične elektrodinamike, elektron koji rotira oko jezgre, kao i svaka ubrzana nabijena čestica, emitirat će elektromagnetne valove. Spektar takvog zračenja mora biti kontinuiran, odnosno mora sadržavati elektromagnetne valove bilo koje valne dužine. Ovaj zaključak je već u suprotnosti sa linearnošću emisionih spektra atoma posmatranih eksperimentalno.

Osim toga, kontinuirano zračenje smanjuje kinetičku energiju elektrona. Stoga, zbog zračenja, radijus orbite elektrona koji se kreće mora se smanjiti, i na kraju elektron mora pasti na jezgro, kako pokazuju procjene, s vremenom. Međutim, u stvarnosti, atom vodonika je stabilan i “dugovječan” elektromehanički sistem. Drugim riječima, planetarni model atoma sa stanovišta klasične fizike ispada nestabilan.

Masa elektrona je nekoliko hiljada puta manja od mase atoma. Budući da je atom u cjelini neutralan, najveći dio mase atoma je u njegovom pozitivno nabijenom dijelu.

Za eksperimentalno proučavanje raspodjele pozitivnog naboja, a time i mase, unutar atoma, Rutherford je 1906. predložio korištenje sondiranja atoma pomoću α -čestice Ove čestice nastaju raspadom radijuma i nekih drugih elemenata. Njihova masa je otprilike 8000 puta veća od mase elektrona, a njihov pozitivni naboj je po veličini jednak dvostrukom naboju elektrona. Ovo nisu ništa drugo do potpuno jonizovani atomi helija. Brzina α -čestice su veoma velike: to je 1/15 brzine svetlosti.

Rutherford je bombardirao atome teških elemenata ovim česticama. Elektroni, zbog svoje male mase, ne mogu primjetno promijeniti svoju putanju α -čestice, kao što kamenčić težak nekoliko desetina grama pri sudaru sa automobilom nije u stanju da primetno promeni svoju brzinu. Rasipanje (promjena smjera kretanja) α -čestice mogu biti uzrokovane samo pozitivno nabijenim dijelom atoma. Dakle, raspršivanjem α -čestice mogu odrediti prirodu raspodjele pozitivnog naboja i mase unutar atoma.

Radioaktivna droga, na primjer radij, stavljena je u olovni cilindar 1, duž kojeg je izbušen uski kanal. Bun α -čestice iz kanala padale su na tanku foliju 2 od ispitivanog materijala (zlato, bakar itd.). Nakon raspršivanja α -čestice su pale na prozirno sito 3 obloženo cink sulfidom. Sudar svake čestice sa ekranom bio je praćen bljeskom svjetlosti (scintilacijom), koji se mogao posmatrati kroz mikroskop 4. Cijeli uređaj je smješten u posudu iz koje je evakuiran zrak.

Uz dobar vakuum unutar uređaja i u nedostatku folije, na ekranu se pojavio svjetlosni krug koji se sastoji od scintilacija uzrokovanih tankim snopom α -čestice Ali kada je folija stavljena na putanju snopa, α - zbog raspršivanja čestice su se rasporedile po ekranu po krugu veće površine. Modificiranjem eksperimentalne postavke, Rutherford je pokušao otkriti odstupanje α -čestice pod velikim uglovima. Sasvim neočekivano, pokazalo se da je mali broj α -čestice (otprilike jedna od dvije hiljade) su se skretale pod uglovima većim od 90°. Rutherford je to kasnije priznao, nakon što je svojim studentima predložio eksperiment za promatranje raspršenja α -čestice pod velikim uglovima, ni sam nije verovao u pozitivan rezultat. “To je skoro isto tako nevjerovatno,” rekao je Rutherford, “kao da ste ispalili granatu od 15 inča na komad maramice, a granata se vratila i pogodila vas.” Zapravo, bilo je nemoguće predvidjeti ovaj rezultat na osnovu Thomsonovog modela. Kada je raspoređen po atomu, pozitivan naboj ne može stvoriti električno polje dovoljno intenzivno da odbaci alfa česticu natrag. Maksimalna sila odbijanja određena je Coulombovim zakonom:

gdje je q α naboj α -čestice; q je pozitivni naboj atoma; r je njegov polumjer; k - koeficijent proporcionalnosti. Jačina električnog polja jednoliko nabijene lopte je maksimalna na površini lopte i smanjuje se na nulu kako se približava centru. Dakle, što je manji polumjer r, to je veća odbojna sila α -čestice.

Određivanje veličine atomskog jezgra. Rutherford je to shvatio α -čestica bi se mogla odbaciti samo ako su pozitivni naboj atoma i njegova masa koncentrisani u vrlo malom prostoru prostora. Tako je Rutherford došao do ideje o atomskom jezgru - malom tijelu u kojem je koncentrirana gotovo sva masa i sav pozitivan naboj atoma.

Planetarni model atoma, ili Rutherfordov model, je povijesni model strukture atoma, koji je predložio Ernest Rutherford kao rezultat eksperimenta s raspršivanjem alfa čestica. Prema ovom modelu, atom se sastoji od malog pozitivno nabijenog jezgra, u kojem je koncentrisana gotovo sva masa atoma, oko koje se kreću elektroni, baš kao što se planete kreću oko Sunca. Planetarni model atoma odgovara modernim idejama o strukturi atoma, uzimajući u obzir činjenicu da je kretanje elektrona kvantno po prirodi i nije opisano zakonima klasične mehanike. Istorijski gledano, Rutherfordov planetarni model zamijenio je "model pudinga od šljiva" Josepha Johna Thomsona, koji je pretpostavio da su negativno nabijeni elektroni smješteni unutar pozitivno nabijenog atoma.

Talasno-čestična dualnost svojstava svjetlosti.

Hajde da sumiramo rezultate odeljka „Optika“.

U okviru geometrijske optike priroda svjetlosti se ne razmatra. Koristi se koncept svjetlosnog snopa za koji su formulirani zakoni geometrijske optike. Ovi zakoni omogućuju izračunavanje putanje svjetlosnih zraka u slučaju kada su veličine različitih prepreka na putu zraka dovoljno velike. Upotreba ovih zakona omogućila je stvaranje različitih optičkih sistema i instrumenata (sočivo, mikroskop, teleskop, kamera, dijaprojektor).

Razmatrajući svjetlost kao elektromagnetni val, bilo je moguće razumjeti fenomene kao što su interferencija, difrakcija i polarizacija svjetlosti. Talasna priroda svjetlosti se manifestira kada je veličina prepreke na putu svjetlosnog vala uporediva s valnom dužinom. Fenomeni interferencije, difrakcije i polarizacije svetlosti nalaze različite praktične primene (spektrometrija, detekcija grešaka, holografija).Vasna svojstva svetlosti moraju se uzeti u obzir prilikom projektovanja različitih optičkih sistema.

U kvantnoj optici svjetlost se manifestira kao tok čestica ili svjetlosnih kvanta - fotona. U okviru kvantnih koncepata pronalaze se objašnjenja za takve pojave kao što su toplotno zračenje tijela, vanjski i unutrašnji fotoelektrični efekti, Comptonov efekat itd.

Činjenica da svjetlost pokazuje valna svojstva u nekim eksperimentima, a korpuskularna svojstva u drugima znači da ima složenu dvojnu prirodu, koju obično karakterizira termin dualnost talas-čestica . Naknadno je ustanovljeno postojanje talasno-čestičnog dualnosti čestica materije.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, V.M.Charugin. fizika. 11. razred. Udžbenik za opšteobrazovne ustanove - M.: „Prosveshchenie“, 2009, itd. Poglavlje 11.

Tema 18. (2 sata)

Atomska fizika. Rutherfordovi eksperimenti. Planetarni model atoma. Borovi kvantni postulati. Laseri.

Otkriće složene strukture atoma je najvažnija faza u razvoju moderne fizike, koja je ostavila traga na sav njen dalji razvoj. U procesu stvaranja kvantitativne teorije strukture atoma nastala je atomska fizika, koja je omogućila objašnjenje atomskih spektra, fizičkih i kemijskih svojstava različitih tvari, što je dovelo do drugih grana fizike. Otkriveni su zakoni kretanja mikročestica – zakoni kvantne mehanike.

Jedan od prvih modela strukture atoma predložen je 1903. J. J. Thomson . Pretpostavio je da je atom sferičan; pozitivni naboj je ravnomjerno raspoređen po cijeloj zapremini ove kuglice, a negativno nabijeni elektroni se nalaze unutar nje. Radijus atoma je otprilike 10 -10 m. Međutim, eksperimentalni rezultati su pokazali da je ovaj model pogrešan.

Rutherfordovi eksperimenti. Novi model atoma predložio je Rutherford kao rezultat njegovih eksperimenata u proučavanju raspršenja brzih α -čestice na atomima materije. U ovim eksperimentima, radioaktivni lek 2 (radijum, slika 18.1) stavljen je u olovni kontejner 1. Uski snop 3 α -čestice (potpuno ionizirani atomi helijuma koje emituje radij) su usmjerene na tanku metalnu foliju 4 . Iza njega je postavljen ekran 5, prekriven slojem kristala cink sulfida, sposoban da svijetli pod udarima brzo naelektrisanih čestica. Uočeni su blicevi na ekranu Slika 18.1

pomoću mikroskopa 6 .

Utvrđeno je da α -čestice prodiru kroz tanke metalne ploče gotovo bez odstupanja od pravog puta. Istovremeno, mali dio alfa čestica je otklonjen pod znatno većim (do 180 ○) uglovima.

Rutherford je sugerirao da se raspršivanje alfa čestica pod velikim uglovima objašnjava činjenicom da pozitivni naboj u atomu nije ravnomjerno raspoređen u kugli polumjera 10-10 m, već je koncentrisan u središnjem dijelu atoma u područje mnogo manjih dimenzija.

Gotovo cijela masa atoma koncentrisana je u ovom centralnom, pozitivno nabijenom dijelu atoma, atomskom jezgru. Rutherfordovi proračuni su pokazali da je za objašnjenje eksperimenata raspršenja alfa čestica potrebno uzeti polumjer jezgra otprilike 10 -15 m. Sa tako malim radijusom, jakost električnog polja jezgra blizu njegove površine je veoma visoko. Na ovom terenu u pokretu α -čestica je podložna velikoj sili, koja odbija česticu pod velikim uglovima, uključujući i u suprotnom smjeru.

Nakon otkrića pozitivno nabijenog jezgra u Rutherfordovim eksperimentima, bilo je potrebno odgovoriti na pitanja gdje se elektroni nalaze u atomu i šta zauzima ostatak prostora u njemu. Rutherford je sugerirao da je atom strukturiran poput planetarnog sistema. Kao što se planete okreću oko Sunca na velikim udaljenostima od njega, tako se elektroni okreću oko nuklearnog jezgra u atomu. Radijus orbite elektrona koji je najudaljeniji od jezgra je poluprečnik atoma. Ovaj model atomske strukture je nazvan planetarno ili nuklearni model.

Međutim, atomski sistemi se razlikuju od planetarnih sistema po fizičkoj prirodi sila koje drže planete i elektrone u svojim orbitama: planete privlače zvijezde silama univerzalne gravitacije, a u interakciji elektrona sa atomskim jezgrom glavna uloga igraju sile Kulonove privlačnosti suprotnih električnih naboja. Sile gravitacionog privlačenja između elektrona i atomskog jezgra su zanemarljive u odnosu na elektromagnetne.

Nuklearni model atoma dobro objašnjava osnovne zakone raspršenja nabijenih čestica. Budući da je veći dio prostora između atomskog jezgra i elektrona koji kruže oko njega prazan, brzo nabijene čestice mogu gotovo slobodno prodrijeti kroz slojeve materije koji sadrže nekoliko hiljada slojeva atoma.

Prilikom sudara s elektronom, alfa čestica se praktički ne raspršuje, jer je njena masa otprilike 8000 puta veća od mase elektrona. Međutim, u slučaju kada alfa čestica leti u blizini jednog od atomskih jezgara, pod utjecajem električnog polja atomskog jezgra može se raspršiti pod bilo kojim kutom do 180°. Ali zbog male veličine jezgra u poređenju s veličinom atoma, takvi se događaji događaju vrlo rijetko.

Nuklearni model atoma omogućio je objašnjenje rezultata eksperimenata o raspršivanju alfa čestica u materiji, ali je naišao na još jednu fundamentalnu poteškoću: Rutherfordovi zakoni kretanja elektrona u atomu bili su u suprotnosti sa zakonima elektrodinamike.

Kao što je poznato, svako ubrzano kretanje električnih naboja je praćeno emisijom elektromagnetnih valova. Kružno kretanje je ubrzano kretanje, stoga elektron u atomu mora emitovati elektromagnetne valove frekvencije jednake frekvenciji okretanja oko jezgra. To bi trebalo dovesti do smanjenja energije elektrona, njegovog postepenog približavanja atomskom jezgru i pada na jezgro.

Dakle, atom koji se sastoji od atomskog jezgra i elektrona koji se okreću oko njega, prema zakonima klasične fizike, je nestabilan. Ali u stvarnosti, atomi su stabilni i ne emituju svjetlost u neuzbuđenom stanju.