Строение атома открытие: Строение атома – схема с объяснением, основные сведения

Содержание

Строение атома Открытие электрона Многие исследователи изучали

Строение атома

Открытие электрона Многие исследователи изучали поток частиц в стеклянных трубках, наполненных газом при низких давлениях. Такие трубки, названные трубками Гейсслера по имени немецкого стеклодува Г. Гейсслера (1815– 1879), который первым начал изготовлять их, испускали яркое свечение, будучи подключены к высоковольтной обмотке индукционной катушки. Этими электрическими разрядами заинтересовался У. Крукс Уильям Крукс (1832 -1919)

Трубка Крукса представляет собой стеклянный баллон, в который впаяны 2 электрода (катод и анод). Трубка присоединялась к вакуумному насосу, с помощью которого создавалось давление до 10 -4 атм. Поверхность трубки, противолежащая катоду, покрывалась фосфоресцирующим составом. После подключения к электродам высокого напряжения (несколько тысяч вольт) наблюдалось яркое свечение стекла. В результате этих наблюдений Крукс пришел к выводу, что из катода выходит поток лучей, которые были названы катодными лучами.

лучей

Если на пути катодных лучей находится какое-либо препятствие, то на препятствие фосфоресцирующей поверхности наблюдается тень этого предмета. Отсюда был этого предмета сделан вывод, что катодные лучи, как любое другое излучение, распространяется прямолинейно Если на пути катодных лучей вместо пластинки поместить легкое колесико с лопастями, оно вращается. Значит катодные лучи представляют собой поток частиц. Поместив частиц трубку в электрическое и магнитное поля, Крукс обнаружил отклонение катодных лучей под влиянием этих полей. Направление отклонения указывало на то, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц.

Заряд и масса электрона Английский физик Джозеф Джон Томсон продолжал подробные исследования катодных лучей. В 1897 он сконструировал разрядную трубку. Катодные лучи выходят из катода, проходят через отверстие в аноде и щель, попадают в электрическое и магнитное поле. Далее лучи попадают на флуоресцентный экран со шкалой. Томсон обнаружил, что под действием полей наблюдается отклонение катодных лучей, которое фиксируется на шкале. Величина отклонения зависит от силы поля, заряда и массы частиц.

Заряд и масса электрона Измеряя отклонение пучка электронов в зависимости от напряженности поля, Томсон рассчитал отношение заряда электрона к его массе: е/m. Это отношение оставалось постоянным независимо от того, каким газом была заполнена трубка. На этом основании Джозеф Джон Томсон был сделан важный вывод, что (1856 – 1940) электроны присутствуют в любом веществе. Отношение е/m, найденное Томсоном, оказалось равным 1, 76· 1011 Кл·кг-1 . Учитывая важность исследований Томсона, его считают Томсона первооткрывателем электрона.

Точно величина заряда электрона была измерена Милликеном, который в своих измерена Милликеном опытах добивался, чтобы заряженные капельки масла висели в воздухе между пластинами конденсатора. Заряд электрона оказался равным 1, 6 · 10 -19 Кл.

Этой минимальной величине заряда приписывают значение -1. Зная отношение, найденное Томсоном, и величину заряда электрона, нетрудно найти массу электрона. Она равна 9, 11· 10 -31 кг. В настоящее время характеристики электрона известны с большой точностью: е = (1, 60217733 ± 0, 00000049)· 10 -19 Кл m = (9, 1093897 ± 0, 00000054)· 10 -31 кг

Другие доказательства сложной структуры атома В 1895 В. Рентген случайно обнаружил таинственное излучение ( «Х-лучи, рентгеновские лучи). В 1896 А. Беккерелем (1852– 1908) В 1896 А. Беккерелем была открыта радиоактивность. В 1898 П. Кюри (1859– 1906) и М. Кюри В 1898 П. Кюри и М. Кюри (1867– 1934) обнаружили два радиоактивных элемента – полоний и радий. Все эти открытия ясно показали, что атом не является «неделимым» . Вильгельм Конрад Рентген (1845 – 1923)

Модель атома У. Томсона Уильям Томсон представляет атом как некую положительно заряженную субстанцию, в которую вкраплены электроны, как «изюм в пудинге» . Эта модель строения атома была предложена в 1902 году. Уильям Томсон (1824 – 1907)

Модель атома Дж. Томсона Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) Джозеф Джон Томсон представил свою модель строения атома в 1904 году. Он представляет атом, как положительно заряженную субстанцию, в которой в определенном месте находятся электроны, как «прослойка в сливовом пироге» .

Модель атома Ленарда Филипп Фон Ленард (1862 – 1947) Ленард предложил свою модель строения атома в 1904 году. Он считает, что атом состоит из электронейтральных частиц, несущих в себе как положительный так и отрицательный заряд.

Модель атома Нагаока Хантаро Нагаока (1865 – 1950) Хантаро Нагаока предложил свою модель строения атома в 1904 году. Он считал, что в центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него отрицательно заряженные электроны. Эта модель называется сатурноподобной.

Опыт Резерфорда Эрнест Резерфорд (1871 -1937) Решающий эксперимент, Ганс Вильгельм совершенно изменивший Гейгер (1882 – 1945) представления о пространственной структуре атома, был проведен в 1910 г. Э. Резерфордом и его сотрудниками Х. Гейгером и Эрнест Марсден Э. Марсденом. (1889 – 1970)

Новая теория строения атома «планетарная» Большая часть массы атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. Расчеты показали, что размер ядра составляет приблизительно 1/10000 размера атома.

Постулаты Бора 1. Электроны находятся на определенных стационарных орбитах, двигаясь по которым они не поглощают и не излучают энергию. 2. Излучение возникает только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Нильс Хенрик Давид Бор (1885 -1962) 3. Величина этого излучения определяется изменением полной энерги, т. е. разностью энергий атома в начальном и конечном состояниях. Таким образом, Нильс Бор предложил соединить модельные представления Резерфорда с идеей квантов, впервые высказанной Планком в 1900.

Принцип неопределенности Гейзенберга Невозможно одновременно определить точно и координату электрона и его энергию. Вернер Карл Гейзенберг (1901 -1976) Принцип вытекает из корпускулярно-волновой природы электрона.

Строение атома. Открытие радиоактивности – презентация онлайн

6.
Строение атома.
6.1.
Открытие
радиоактивности.

2. Открытие радиоактивности

Антуан Анри Беккерель
(1852 – 1908)
А.А.Беккерель был потомственным физиком.
Его дед, Антуан Сезар Беккерель изучал
термоэлектричество и флуоресценцию. Его
отец, Александр Эдмон Беккерель – автор
основополагающих трудов по фосфоресценции.
Сам
Антуан
Анри
также
изучал
флуоресценцию солей урана.
1 марта 1896 г.

3. Открытие радиоактивности

Мария
Складовская-Кюри
(1867 – 1934)
Пьер Кюри
(1859 – 1906)
1898 г – исследования радиоактивности,
открыт новый элемент – полоний
6.2.
Модели атома.

5. Модель атома Томсона

6. Усовершенствованная модель атома Томсона

Атом – пудинг неустойчив.
Заряженные частицы, чтобы
сохранять устойчивую
конфигурацию, должны
двигаться.
В этом и состоит идея
усовершенствованной модели
Томсона.

7. Модель атома Нагаоке

Следующий шаг – «сатурноподобная» модель Нагаоке. Здесь электроны
– кольца вокруг положительно заряженного тела. Но размеры
центрального атомного тела почти те же, что и в модели Томсона.

8. Планетарная модель атома

На самом деле старейшая модель атома – планетарная. Но никаких физческих
обоснований она не имела. Многие ученые (чаще – не физики) высказывались
в пользу такой модели атома. Но в основе их предположений была, скорее,
философская вера в единство мира, чем какие-либо доказательства.
Быть может, эти электроны – миры,
где пять материков,
Свершенья, тайны, войны, троны
и память сорока веков.
Еще, быть может, каждый атом вселенная, где сто планет.
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
а также то, чего здесь нет.

Максимилиан Волошин.
6.3.
Опыты
Резерфорда
по рассеянию
a-частиц.

11. Эрнест Резерфорд

Эрнест Резерфорд
(1871 – 1937)
Родился в Новой Зеландии. Сын фермера-скотовода.
С 1895 г. работал в Кавендишской лаборатории. Был
первым «заморским докторантом».
Участвовал в работах по исследованию катодных и
рентгеновских лучей под руководством Дж. Дж.
Томсона.
Разработал
«магнитный
детектор
электромагнитных волн».
С 1898 г. занялся исследованием радиоактивности.
Установил заряд и массу a-частиц. Доказал
(совместно с Ф. Содди), что в процессе
радиоактивного распада появляется атом другого
элемента. Установил закон радиоактивного распада.
В 1898 – 1907 г.г. работал в Монреале (Канада), в
1907 – 1919 г.г. – в Манчестерском университете
(Великобритания). 1919 – 1937 г.г. – директор
Кавендишской лаборатории.

12. Исследование a-частиц

Рассеяние a-частиц пластинкой слюды
Источник радиоактивного
излучения
Из такого источника
вылетают a-частицы со
скоростью 10 – 20 тысяч
километров в секунду.
Резерфорд, 1906 г.
Отклонение a-частиц от прямолинейной
траектории составило около 2 градусов.
Это означало, что внутри атома должны быть
мощные электрические поля (напряженность
не менее 100 кВ на 1 см)

13. Рассеяние a-частиц золотой фольгой

1909 г., Резерфорд, Марсден, Гейгер.
Установлено, что
одна из примерно
8000 a-частиц
рассеивается на
угол, близкий к
180°.
Ганс Гейгер

14. Рассеяние a-частиц золотой фольгой

Резерфорд писал: “Это столь же невероятно, как
если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в
кусок тонкой бумаги, а снаряд вернулся бы к вам и
нанес удар.”

15. Рассеяние a-частиц золотой фольгой

Вероятность такого
«разворота» a-частицы
намного меньше 1/8000.
Она практически равна
нулю.

16. Рассеяние a-частиц золотой фольгой

Единственным
правдоподобным
объяснением рассеяния частиц на большие углы
было наличие
массивного, хотя и очень
малого положительно
заряженного тела внутри
атома.
В конце 1910 года
Резерфорд сказал
Гейгеру: «Я знаю, как
выглядит атом».
В мае 1911 г. результаты
были опубликованы.
В самом начале статьи в «Phylosophical Magazine» написано: «Вопрос об
устойчивости атома рассматривать пока преждевременно»

17. И все-таки они вертятся?

Причины, по которым планетарный атом существовать не может:
– электроны движутся по замкнутым траекториям, следовательно, они
движутся с ускорением;
– заряженные частицы, движущиеся с ускорением, должны излучать ЭМВ и
поэтому терять энергию, а значит, и скорость;
– в результате электрон должен упасть на ядро.
6.4.
Правило
квантования
Бора Зоммерфельда.

19. Что общего у атома и квантов?

Нильс Бор
(1885 – 1962)
1. Для того, чтобы объяснить, как может существовать
планетарный атом Резерфорда, Бор выдвинул смелое
предположение о том, что свойство квантования, то есть
дискретного изменения присуще не только квантам
света – фотонам, но имеет более глубокий смысл.
2. Он обратил внимание на то, что постоянная Планка h
имеет размерность (в системе СИ, которой тогда не
было, Дж·с), совпадающую с размерностью физической
величины, называемой действием.
3. Бор предположил, что все физические величины
должны изменяться так, что в ходе любых процессов
действие должно быть равно целому числу постоянных
Планка h.
4. Основываясь на предположении о квантовании (скачкообразном изменении)
действия, Бор предположил, что при движении электрона по орбите вокруг
положительного заряженного ядра выполняется условие
2p RmV=nh,
то есть квантуется действие электрона.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
Согласно Планку излучение света происходит порциями – квантами, энергия
которых равна
E h .
Изменение энергии стоячей волны, возникающей в полости вокруг абсолютно
чёрного тела также равно
E h .
Стоячие волны можно рассматривать, как линейные гармонические
осцилляторы. Согласно Планку, из всех возможных состояний линейного
гармонического осциллятора осуществляются только такие, энергия которых
E nh n ,
где n – целое число.
E
Перепишем последнее условие в виде
nh.
Это означает, что некоторая величина, имеющая размерность
[энергия/частота] или [энергия∙время] должна быть кратной постоянной
Планка. Эта величина называется действием.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
Чтобы указать общее правило, приводящее к правильному выбору состояний,
рассмотрим линейный гармонический осциллятор. В классической механике
его состояние характеризуется декартовой координатой x и импульсом mv.
Введём обозначения q = x и mv = p. Каждое
состояние линейного осциллятора теперь можно
изобразить точкой на фазовой плоскости (как это
делалось при подсчёте числа стоячих волн).
Каждой точке на фазовой плоскости соответствует
своё
значение
координаты
и
импульса
осциллятора.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
При движении в системе точка на фазовой
плоскости будет описывать некоторую
траекторию.
Пусть полная энергия осциллятора
E T U ,
где T – кинетическая энергия, U потенциальная.
p 2 kq 2
E T U
.
2m 2
разделим на E и получим:
2
2
p
kq
1
,
2mE 2 E
p2
q2
1.
2mE 2 E
k
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
p2
q2
1.
2mE 2 E
k
В координатах (p, q) это уравнение эллипса с
полуосями
a 2mE ,
2E
b
.
k
p2 q2
2 1.
2
a
b
Фазовая траектория линейного осциллятора есть эллипс, оси которого
определяются его полной энергией.
Площадь эллипса равна
pdq p ab.
По определению, величина S
pdq и есть действие для осциллятора.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
pdq p ab.
m
pdq E 2p
,
k
2E
a 2mE ,
b
.
k
2E
pdq p 2mE k ,
E
pdq .
pdq
ET
,
Здесь T – период колебаний осциллятора, ν – частота колебаний осциллятора.
Исходя из предположения Планка о том, что энергия колебаний квантуется, то
есть
E
E nh n ,
получаем, что
S
E
pdq
nh,
nh.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
S
pdq nh.
В
процессе
колебаний
линейного
осциллятора точка на фазовой плоскости
будет
описывать
эллиптическую
траекторию. Возможны только такие
траектории, для которых площадь эллипса
(действие) равна nh.
Бор стал рассматривать это условие, как общее для всех видов движений с
одной степенью свободы (к таким движениям относится и движение
электрона в атоме). Возможны только такие фазовые траектории, для которых
действие равно nh. Под координатами q и p следует понимать так называемые
обобщённые координаты и обобщённые импульсы.
При рассмотрении движения электрона в атоме в качестве координаты
удобно выбрать полярный угол φ. В этом случае обобщённым импульсом
будет величина pφ = mVr = mr2ω, ω – угловая скорость электрона при
движении по орбите. (Легко убедиться, что размерность произведения pφ∙q
будет [Дж·с].)
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
Применим теперь правило квантования, выведенное для
линейного осциллятора к движению электрона в атоме
водорода. Возможны только такие фазовые траектории,
для которых действие равно nh.
S
pdq nh.
В процессе движения электрона по круговой орбите
угловая скорость ω постоянна.
const., следовательно, p m 2r const.
Угол φ меняется в процессе движения от 0 до 2π поэтому,
S
2p
p dq p d 2p p 2p mVr 2p
0
mVr
– орбитальный момент импульса электрона.
2p nh,
h
n
n .
2p
.
Правило квантования Бора – Зоммерфельда
h
n
n .
2p
Отсюда следует «правило квантования» круговых орбит: из всех возможных
согласно классической механике орбит реализуются только те, у которых
орбитальный момент импульса электрона
n .
Применение правила квантования Бора – Зоммерфельда состоит в следующем:
1. Движение системы описывается при помощи классической механики.
2. Определяются обобщённые координаты и импульс, вычисляется действие
системы.
3. Применяется условие, что действие должно быть кратно постоянной Планка.
4. С использованием последнего условия отбираются возможные состояния
системы.
6.5.
Боровская
теория атома
водорода.

29. Боровская теория водородоподобного атома

Электрон движется вокруг ядра по круговой орбите.
На него действует кулоновская сила притяжения со
стороны ядра.
Необходимо найти полную энергию электрона,
учитывая, то значение его момента импульса может
изменяться дискретно, то есть
mVR n .
Полная механическая энергия электрона есть сумма его кинетической и
потенциальной энергии
E T W.
mV 2
T
.
2
Потенциальная энергия электрона в кулоновском поле ядра
1 Ze2
W .
4p 0 R
Боровская теория водородоподобного атома
mV 2
1 Ze2
E T W
.
2
4p 0 R
Запишем второй закон Ньютона. Центростремительное
ускорение электрона равно
V2
a
,
R
где V – скорость электрона, R – радиус орбиты.
V2
1 Ze2
m
,
2
R 4p 0 R
здесь Z – заряд ядра.
1 Ze2
mV
,
4p 0 R
2
1
mV 2 1 1 Ze2
W.
2
2
2 4p 0 R
1 1 Ze2
1
1
.
E T W W – W – W 2 4p 0 R
2
2
Боровская теория водородоподобного атома
Учтем, что согласно предположению Бора из всех возможных согласно
классической механике орбит реализуются только те, у которых орбитальный
момент импульса электрона
mVR n .
n
V
.
mR
Отсюда
Как было показано ранее
Ze2
mV
.
4p 0 R
1
2
Подставим сюда выражение для скорости V:
n2 2
1 Ze2
m 2 2
,
mR
4p 0 R
откуда
R 4p 0
2
mZe2
n2 .
Подставим выражение для радиуса орбиты R в формулу для энергии электрона:
2
1 1 Ze
1 1 mZ 2 e 4 1
E –
.
2
2
2 4p 0
n
2 4p 0 R
2
Боровская теория водородоподобного атома
Итак, энергия электрона в водородоподобном атоме может принимать ряд
дискретных значений
2
2 4
1 1 mZ e 1
En –
.
2
2
2 4p 0
n
Здесь n – целое число.
При этом, согласно боровской теории, электрон в водородоподобном атоме
может находиться на орбитах с радиусами
Rn 4p 0
2
mZe2
n2 .
Состояние атома с наименьшей энергией (что соответствует n = 1) называется
основным состоянием. Энергия основного состояния
2
1 1 mZ 2 e 4
E1 –
.
2
2 4p 0
Энергию произвольного состояния с любым номером n удобно выражать через
энергию основного состояния:
E1
En 2 .
n
Боровская теория водородородоподобного атома
Радиус орбиты произвольного состояния с любым номером n удобно выражать
через радиус первой бороской орбиты:
Rn R1 n 2 .
Для атома водорода (Z = 1)
2
1 1 me4
E1 –
-13, 6ýÂ.
2
2 4p 0
2 2
R1 4p 0 2 n 0,529 10-10 м.
me
1a.e. R1 0,529 10-10 ì .
Схема энергетических уровней атома водорода
E1
En 2 .
n
2
1 1 me 4
E1 –
.
2
2 4p 0
E1 -13, 6ýÂ.

35. Постулаты Бора

1. Атом может
находиться только в
дискретных
устойчивых
состояниях,
характеризуемых
определенными
дискретными
значениями энергии. В
устойчивых состояниях
атома электроны
движутся вокруг ядра
по определенным
(“дозволенным”)
орбитам, причем
радиусы этих орбит
соответствуют
возможным значениям
энергии атома.

36. Постулаты Бора

2. При движении по “дозволенным” орбитам электроны — вопреки
классической электродинамике — не излучают электромагнитных волн.
Излучение может происходить только при переходе электрона с одной
“дозволенной” орбиты на другую.

37. Постулаты Бора

3. Испускание и поглощение энергии атомом происходит “скачками”,
каждый из которых представляет собой порцию (квант энергии),
кратную h .
При поглощении энергии
атомом электрон
переходит с внутренней
орбиты на внешнюю,
более далекую от ядра.
При обратном переходе
атом излучает порцию
энергии.
6.6. Экспериментальные
подтверждения
боровской теории
атома водорода.

40. Оптические спектры испускания атомов

1
2
3
Линейчатые спектры испускания:
1 – водород; 2 – азот; 3 – светильный газ.

41. Применение спектрального анализа

42. Как проверить?

Формула Бальмера – странная, но красивая
m2
3645,6 2
.
m -4
Формула Ридберга – обобщение формулы Бальмера:
1
R
R
.
2
2
(1 s) (m p)
R – постоянная Ридберга, s и p – дробные поправки, менявшиеся от серии к серии.
Для водорда s = 1, p = 1.
1
1
1
R( 2 – 2 ).
1 m
R 10967758,1 м-1.
Согласно теории Бора
1
1
Eфотона
E1 2 – 2 .
n
m
hc
Схема
энергетических
уровней
атома
водорода
1
1
Eфотона
E1 2 – 2 .
n
m
hc
Опыт Франка и Герца.
Дж. Франк и Г. Герц, 1913 г.
Стеклянная колба заполнена парами ртути.
Электроны вылетают из нагретого катода К и
ускоряются напряжением U, создаваемым
батареей G1. Между сеткой C и анодом А –
слабое тормозящее поле U2 = 0,5 B
На рисунке показана вольт-амперная характеристика
данного устройства.
Возрастание ускоряющего напряжения U от 0 до 4,9
В сопровождается ростом силы тока. С ростом
напряжения всё большее число электронов
преодолевают область пространственного заряда у
катода.
При достижении значения ускоряющего напряжения
U = 4,9 В сила тока резко падает.
Электроны с кинетической энергией E = 4,9 эВ
полностью теряют её в результате столкновений с
атомами ртути.
Опыт Франка и Герца.
В результате неупругих столкновений с
электронами атомы ртути приобретают
энергию E = 4,9 эВ, энергия же электронов
после столкновения пренебрежимо мала и они
полностью
задерживаются
малым
напряжением U2.
Таким
образом,
расстояние
между
двумя
энергетическими уровнями атома ртути ΔЕ = 4,9 эВ.
Этот вывод подтверждается тем, что атомы ртути
начинают
самопроизвольно
испускать
ультрафиолетовое излучение. Частота излучения
совпадает с рассчитанной по формуле
E 4,9 1,6 10-19
15
1,
2
10
h
6,625 10-34
Гц.

Строение атома. Состав атомных ядер. Изотопы. Химический элемент

С помощью данного урока вы узнаете, из чего состоит атом, а также познакомитесь с историей появления и развития представлений о сложном строении атома. На уроке рассматриваются результаты некоторых физических опытов, которые позволили установить состав и строение атома.

 

 

 

I. Атом: термин и эволюция понятия

Идея о том, что все вещества состоят из мелких, невидимых частиц возникла у людей еще до нашей эры в Древней Индии и Древней Греции. Известный греческий философ Демокрит, будучи одним из первых материалистов, впервые ввел термин “атом” (от греч.atomos- неделимый). Последователь идей Демокрита, Эпикур (341-270 г. до н.э.) впервые высказал предположение об атомном весе.

  

Согласно его теории атом – неделимая частица, которая существует вечно. По теории Демокрита:

  • все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазом, неделимых частиц-атомов;
  • атомы непрерывно двигаются в пустоте;
  • атомы никто  не создавал, они были всегда;
  • никто не может уничтожить атомы;
  • атомы материальны: имеют вес, размеры, форму;
  • одни атомы имеют крючочки, другие петельки с помощью которых соединяются друг с другом.

Дальнейшее развитие атомизм, как теория, получил в философии и науке Средних веков и Нового времени. В середине XVII в. французский философ и физик Пьер Гассенди (1592—1655) заново пересказал учение Демокрита и Эпикура, дополнив его новым понятием «молекула» для обозначения различного сочетания атомов друг с другом. 

Р. Бойль (1627-1691 г.г.) написал знаменитую книгу «Химик-скептик», в которой доказал нереальность «начал» Аристотеля и ввел представление о химических элементах как о веществах, не поддающихся дальнейшему разложению. Определив задачей химии изучение элементов и их соединений. Р. Бойль поставил ее на научную основу.

Далее атомистическая теория получила свое логическое развитие в работах Ломоносова, Лавуазье, Дальтона и оформилась в атомно-молекулярное учение.

 

II. Модель Дж. Томсона (“сливовый пудинг” или “булочка с изюмом”). Открытие электрона

До 1897 г атом считался мельчайшей неделимой частицей (элементарной). Именно этот год считается датой открытия электрона, первой субатомной частицы. Во второй половине 19 в. многие физики занимались исследованием так называемых  «катодных лучей» – лучей, исходящих с поверхности катода при пропускании электрического разряда между катодом и анодом в стеклянной трубке с сильно разреженным газом.

В своих опытах по отклонению катодных лучей в электрических и магнитных полях, Томсон убедительно показал, что эти лучи представляют собой поток заряженных частиц, а самое главное, ему удалось измерить удельный заряд (e/m) этих частиц. (Он оказался примерно в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода, известного из опытов по электролизу.) Томсон сразу же предположил, что электроны входят в состав атомов – откуда еще им было взяться? Дальнейшие работы ученых-физиков подтвердили это предположение. Таким образом, к концу 19 века электрон считался элементарной заряженной частицей, масса которой в 2000 раз меньше массы атома водорода.

После открытия электрона Томпсон предложил модель строения атома, которую обычно называют “сливовый пудинг” (или “пудинг с изюмом”) или на русский манер “булочка с изюмом”. Согласно Томпсону атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены (как изюм в булочке) отрицательно заряженные электроны. Однако, эта модель была опровергнута опытом Резерфорда.

     

Так по­яви­лась одна из пер­вых мо­де­лей стро­е­ния атома, ко­то­рую пред­ло­жил ан­глий­ский физик Джо­зеф Том­сон (Рис. 1). В со­от­вет­ствии с этой мо­де­лью, атом пред­став­ля­ет собой шар, со­сто­я­щий из по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го ве­ще­ства с вкрап­ле­ни­я­ми от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных элек­тро­нов (на­по­до­бие изюма в биск­ви­те).

Рис. 1. Мо­дель стро­е­ния атома, пред­ло­жен­ная Дж. Том­со­ном

Осо­бен­ность мо­де­ли Том­со­на за­клю­ча­лась в пред­по­ло­же­нии того, что по­ло­жи­тель­ный заряд «раз­мыт» внут­ри атома и не «вы­ле­та­ет» из него, т. к. об­ла­да­ет зна­чи­тель­но боль­шей мас­сой по срав­не­нию с элек­тро­на­ми.

III. Модель Э. Резерфорда

Сле­ду­ю­щим уди­ви­тель­ным экс­пе­ри­мен­таль­ным фак­том было от­кры­тие Бек­ке­ре­лем в 1896 г. яв­ле­ния ра­дио­ак­тив­но­сти. Было об­на­ру­же­но, что атомы неко­то­рых эле­мен­тов са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся с об­ра­зо­ва­ни­ем новых ато­мов, элек­тро­нов и α-ча­стиц. Также уста­но­ви­ли, что α-ча­сти­цы имеют по­ло­жи­тель­ный заряд и от­но­си­тель­но боль­шую массу.

В 1911 г англ. учёный Э. Резерфорд доказал  нa опыте, что в центре атома имеется положительно заряженное ядро. 

Например, модель атома азота

С по­мо­щью α-ча­стиц Эр­нест Ре­зер­форд и его уче­ни­ки про­ве­ли экс­пе­ри­мент, ре­зуль­та­ты ко­то­ро­го опро­верг­ли мо­дель стро­е­ния атома Дж. Том­со­на. Ан­гли­ча­нин Эр­нест Ре­зер­форд и его уче­ни­ки по­ста­ви­ли сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент: на­прав­ля­ли быст­рый поток α-ча­стиц на тон­кую зо­ло­тую фоль­гу. Ока­за­лось, что боль­шин­ство α-ча­стиц про­хо­дит через фоль­гу бес­пре­пят­ствен­но, неболь­шая часть от­кло­ня­ет­ся на раз­лич­ные углы, а при­мер­но 1 на 10 000 ча­стиц от­ска­ки­ва­ет в об­рат­ном на­прав­ле­нии (Рис. 2).

Рис. 2. Схема опыта Э. Ре­зер­фор­да

Ре­зуль­та­ты опыта про­ти­во­ре­чи­ли мо­де­ли Том­со­на. Ча­сти­ца с боль­шой мас­сой и по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом может от­ско­чить назад, если толь­ко встре­тит в ка­че­стве пре­пят­ствия боль­шой по­ло­жи­тель­ный заряд, скон­цен­три­ро­ван­ный в одном месте.

По­ло­жи­тель­ный заряд, скон­цен­три­ро­ван­ный в цен­тре атома, Ре­зер­форд на­звал ядром и пред­ло­жил свою мо­дель стро­е­ния атома: в цен­тре атома на­хо­дит­ся по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ное ядро, во­круг ко­то­ро­го вра­ща­ют­ся от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны (Рис.3). При этом ос­нов­ная масса атома со­сре­до­то­че­на в ядре, масса элек­тро­нов очень мала.

Сум­мар­ный заряд ядра и элек­тро­нов дол­жен быть равен нулю, т. к. атом в целом элек­тро­ней­тра­лен.

Мо­дель Ре­зер­фор­да на­по­ми­на­ет Сол­неч­ную си­сте­му, по­это­му ее на­зва­ли «пла­не­тар­ной».

Рис. 3. Пла­не­тар­ная мо­дель атома, пред­ло­жен­ная Ре­зер­фор­дом

III. Модель Бора (планетарная модель)

В 1913 Нильсом Бором была предложена модель строения атома, известная как “планетарная модель”.  По Бору электроны вращаются по орбитам расположены на строго определенном удалении от атомного ядра, точно также как планеты Солнечной системы вращаются вокруг солнца (отсюда и название модели). Эти орбиты (сейчас всем известны как энергетические уровни)- стационарные и вне их электрон существовать не может. К сожалению, объяснить это утверждение Бору на тот момент не удалось. Кроме того, предложенная модель Бора противоречила законам физики:

В начале прошлого века на смену планетарной модели строения атома пришла волновая модель, которая разрешила возникшие противоречия и  на сегодняшний момент считается общепринятой.

Современное представление о строении атома было бы невозможно без открытия явления радиоактивности, элементарных частиц (электрона, протона и нейтрона). Решающий вклад в установлении строения атома внесли Дальтон, Дж. Дж. Томпсон (или Томсон), Э. Резерфорд, Н. Бор, Э. Шредингер, М. Планк, Люис, Паули.

История развития представлений о строении атома условно изображена на схеме ниже:

 

IV. Современное строение атома

Атом — электронейтрален, то есть количество положительно заряженных частиц в нем равно количеству отрицательно заряженных частиц.

 

 

 

Долгое время считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными (то есть неделимыми) частицами. Но на сегодняшний момент признано, что они имеют сложное строение и состоят из кварков. Электрон же до сих пор считается элементарной частицей. Положительно и нейтрально заряженные частицы (протоны и нейтроны, соответственно) сосредоточены в ядре, чья масса составляет около 99,97% от массы атома. Радиус атома, как правило, составляет несколько ангстрем (10−10 м), радиус ядра в 10 000 раз меньше радиуса атома.

Ядро – самая тяжелая и самая маленькая часть атома.

Заряд ядра равен порядковому номеру химического элемента

Из курса физики вам известно, что вокруг положительного ядра находятся отрицательно заряженные частицы электроны – е– . В электронейтральном атоме число электронов должно быть равно заряду ядра и, следовательно, порядковому номеру элемента. Масса электрона очень мала и принимается равной нулю, таким образом, масса атома сосредоточена в ядре, в котором расположены протоны – p+ и нейтроны – n0.

Заряд ядра атома = Порядковому номеру = Числу протонов = Число электронов

Число нейтронов = Атомная масса (Ar) – Порядковый номер

Например, определите состав атома бора?

Бор

N (порядковый номер) – 5

Ar(B) = 11

e=5

p+=5

n0= 11 – 5 = 6

Например:

  1. Изотопы хлора
  2. Изотопы природного водорода: Протий 11 H, Дейтерий 12Н, Тритий 13Н
  3. Модели изотопов водорода

Изотопы одного и того же химического элемента имеют разную массу, так как в ядрах содержится разное количество нейтронов. +)=6 

N(n0) = A — Z = 13 — 6 = 7

Углерод-13 содержит 6 электронов, 6 протонов и 7 нейтронов

V. Химический элемент

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

В природе химические элементы существуют в виде смесей изотопов. Изотопный состав одного и того же химического элемента выражают в атомных долях (ωат.), которые указывают какую часть составляет число атомов данного изотопа от общего числа атомов всех изотопов данного элемента, принятого за единицу или 100%.

Например:

ωат (35Сl) = 0,754 или 75,4%

ωат (37Сl) = 0,246 или 24,6%

В таблице Менделеева приведены средние значения относительных атомных масс химических элементов с учётом их изотопного состава. Поэтому Ar , указанные в таблице являются дробными.

Ar средняя=  ωат.(1) ∙ Ar(1)  + … +  ωат.(n) ∙ Ar(n)

Например:  

Arсредняя (Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

VI. Задания для закрепления

Задание №1. Определите атомный состав изотопов хлора 35Cl и 37Сl. Почему изотопы хлора имеют разное массовое число?

Задание №2. Определите относительную атомную массу элемента кремния, если известно, что он состоит из трёх изотопов: 28Si (атомная доля 92,3%), 29Si (4,7%), 30Si (3%).

ЦОРы

Видео: “Строение атома”

Строение атома. Опыты Резерфорда. 11-й класс

Цель урока: Расширить знания учащихся по теме, доказать ядерную модель атома с помощью опытов Резерфорда, показать недостатки данной модели. (слайд 2)

Задачи:

  • Обучающие: синтез со знаниями, полученными на уроках физики и химии, необходимыми для формирования целостного представления об атоме.
  • Развивающие: способствовать развитию знаний об атоме, пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений, формировать у учащихся научное мировоззрение на примере истории развития взглядов на строение атома. Продолжать формировать умение самостоятельно работать с различными источниками информации, обобщать материал. Развивать интеллектуальные и творческие способности учащихся.
  • Воспитательные: развитие навыков коллективной работы; развитие навыков культуры общения; воспитание основ нравственного самосознания; толерантного отношения друг к другу; умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту. Показать значение опытных фактов для доказательства научных гипотез.

План урока:

  1. Организационный момент.
  2. Актуализация знаний.
  3. Изложение нового материала.
  4. Отработка изученного материала.
  5. Подведение итогов. Рефлексия. Домашнее задание.

Ход урока

Организационный момент.

Проблема строения атома остается актуальной и для современной науки. Элементарные частицы, ядро атома, атом, молекула – все это объекты микромира, не наблюдаемого нами. В нем действуют иные законы, чем в макромире, объекты которого мы можем наблюдать или непосредственно, или с помощью приборов.

Актуализация знаний: (слайд 3)

  • Как мы узнаем о строении вещества?
  • Каково строение атома?
  • Как можно узнать о строении атома?
  • Имеет ли ядро атома внутреннюю структуру?
  • Что такое электрон?
  • Входят ли электроны в состав ядра?
  • Что вам известно о строении вещества?

Изложение нового материала.

Учитель физики. Сегодня на уроке мы должны доказать сложное внутреннее  строение   одной очень маленькой частички –  атома . Слово “атом ” придумал очень давно, более 2500 лет назад, древнегреческий философ Демокрит. С греческого слово “атом” переводится как “неделимый”. Так ли это? (слайд 4)

В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это история открытия сложного строения  атома. В конце XIX- начале XX в. идеи о  строении  атома   витали в воздухе, различные догадки ученых создавали духовную атмосферу, в которой, в конце концов, и рождалось открытие, ведь в то время ничего о внутреннем  строении  атома  не было известно.

Сообщение ученика 1:  Гипотеза о существовании атомов так же стара, как и наша цивилизация. Понятие атома существует уже по крайней мере 25 столетий.

Демокрит (460-370 гг. до н.э.). Демокрит происходил из богатого и знаменитого рода в Северной Греции. Все доставшиеся ему в наследство деньги он потратил на путешествия. За это его осудили: по греческим законам растрата отцовского имущества являлась серьезным преступлением. Но он был оправдан, так как ему удалось доказать, что в своих путешествиях он приобрел обширные знания. В конечном счете, горожане признали Демокрита мудрецом и выделили денежное содержание, которое позволило ему продолжать научные занятия. Основные элементы его картины природы таковы:

– Все тела состоят из атомов, которые неделимы и имеют неизменную форму.

– Число атомов бесконечно, число различных типов атомов тоже бесконечно.

– Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения. Философ был настолько убежденным атомистом, что даже человеческую душу представлял в виде комбинации атомов.

В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765).

Различая два вида частиц материи, он дает им названия “элементы” (равные понятию “атом”) и “корпускулы” (равные понятию “молекула”). По Ломоносову, “элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших частиц”, а “корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу”.

Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, то есть бесструктурная, частица вещества.

К концу 90-х годов 19 века было прочно установлено, что в состав вещества входят отрицательно и положительно заряженные частицы. Особенную роль в этом сыграло открытие катодных лучей и изучение их свойств.

Сообщение ученика 2: (слайд 6) Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) проводит эксперимент, в ходе которого обнаружил, что катодные лучи ведут себя как отрицательно заряженные частицы: “Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали бы на неё отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи. Тогда встаёт вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провёл целый ряд измерений отношений массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими”.

Так открыли первую элементарную частицу с массой 9,1 • 10-31 кг и с наименьшей величиной электрического заряда. В дальнейшем она получила название “электрон”. 30 апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях, считается “днём рождения” электрона.

После открытия в 1897 году электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны “вкраплены” в атом, словно изюм в булку. (слайд 7)

Сообщение ученика 3:  

Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. (слайд 5)

  • 1897 г – Дж. Дж. Томсон доказал существование электрона, измерил его заряд и массу.
  • 1897 г – В. Вебер впервые высказал мысль об электронном строении атома (электроны входят в состав атома).
  • 1905 г – Ф. Линдеман утверждал, что атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы – форму лепешки.
  • 1903-1904 гг – Дж. Дж. Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженного шара, в котором “плавают” электроны.

Учитель физики:

Модель Томсона нуждалась в экспериментальной проверке. (слайд 8)  Этой задачей занялся Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) – английский ученый, известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества – академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он был лауреатом Нобелевской премии за исследования радиоактивности.

В лаборатории Резерфорда были проведены следующие эксперименты (слайд ). В качестве бомбардирующих частиц взяли тяжелые частицы, которые лучше всего подходили для изучения строения атома. Чтобы, по возможности, точнее исследовать единичные столкновения частиц с атомами мишени, было желательно, чтобы сама мишень была как можно тоньше. К счастью, золотая фольга обладает тем замечательным свойством, что путем расплющивания ее можно сделать исключительно тонкой, толщиной всего лишь в 400 атомов золота.

В ранних экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было обнаружено, что практически все частицы проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц (угол отклонения порядка одного градуса).

Затем молодому сотруднику Марсдену было поручено выяснить вопрос о том, могут ли частицы рассеиваться на большие углы? И вот в 1909 году наступил тот зимний день, когда Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и совсем буднично произнес:”Вы были правы, профессор: они возвращаются…” (Позже Резерфорд вспоминал: “Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стреляющего”). “Они” возвращались редко: в среднем одна частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что частица встретила на пути достойную преграду – массивную и положительно заряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую гостью. Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому, пронизывая атомы мишени, лишь немногие частицы попадают в массивную атомную сердцевину. Подавляющее большинство пролетает в отдалении от нее и рассеивается на малые углы. Альфа-частицы от радиоактивного источника, пройдя через диафрагму, попадают на тонкую фольгу из золота. Она имеет толщину около микрона, т.е. состоит приблизительно из 3000 атомных слоев. Большая часть альфа-частиц легко проходит через фольгу, мало отклоняясь. Но некоторые, редкие альфа-частицы отклоняются на значительные углы и даже на углы, близкие к 180°, т. е. отбрасываются назад.

Вопрос учащимся: как можно объяснить результаты опытов?

Ответ: Результаты опыта можно объяснить следующим образом. Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы  золота. Это возможно потому, что легкие электроны почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы,  атом  в большей части своего объема пустой и лишь небольшую их часть занимает положительный заряд. Эта центральная часть атома   получила название ядра. Из опытов следует, что ядро и отталкивает альфа-частицу, причем тем сильнее, чем ближе к ядру она проходит.

Учитель физики: По соотношению между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц рассчитывается размер ядра и заряд ядра. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10– 12 см (10– 14 м). Заряд же ядра положителен и определяется формулой q = Z*e, где Z – порядковый номер элемента в периодической системе, а е – модуль заряда электрона.

Однако, ядерная модель атома оказалась в противоречии с классической физикой.

Противоречие 1. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Электроны, обращающиеся вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением и, следовательно, согласно максвелловской электродинамике, должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Но в нормальном состоянии атомы не излучают!

Противоречие 2. Повседневный опыт свидетельствует об устойчивости атомов. Но благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться и они должны приближаться к ядру и в конце концов “упасть” на него. Расчеты показывают, что процесс “падения” электронов на ядро должен завершиться за время, равное 10-8 с.

Таким образом, факт длительного существования атомов несовместим с планетарной моделью атома Резерфорда, если ее рассматривать с позиции классической электродинамики.

В конце 19 века большие успехи были достигнуты в изучении линейчатых спектров вообще и линейчатого спектра водорода в особенности. Внимательный анализ спектра водорода позволил в 1885 г учителю физики одной из швейцарских школ И. Бальмеру установить, что частоты линий в видимой части спектра водорода могут быть вычислены по формуле, которая получила позднее название формулы Бальмера. Ядерная модель Резерфорда не могла объяснить этих спектральных закономерностей.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предпринял попытку создания качественно новой модели атома, но это тема следующего урока.

Отработка изученного материала.

А пока давайте вспомним, о чем мы говорили сегодня на уроке.

1. В чём заключается сущность модели Томсона?

2. В чём заключалась идея опыта Резерфорда?

3. Объясните по схеме опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц.

4. Объясните причину рассеивания альфа-частиц атомами вещества.

5. В чём сущность планетарной модели атома?

6. В чем противоречивость модели атома Резерфорда?

Вам предлагается выполнить тест по изученному материалу:

1. В атоме  кремния 14 электронов. Выберите правильное утверждение.

А. В ядре атома  кремния 14 частиц.

Б. В ядре атома  кремния 14 протонов.

В. Масса положительного иона кремния больше массы атома  кремния.

Г. Среди утверждений нет правильного.

2. Существуют ли атомные ядра с зарядом меньшим, чем у одного протона? Почему?

3. Является ли нейтральным атом  гелия, если вокруг его ядра обращается один электрон?

4. В ядре атом  серебра 107 частиц. Вокруг ядра обращаются 47 электронов. Сколько в ядре этого атома  нейтронов и протонов?

5. В результате трения стеклянной палочки о шёлк ей сообщён положительный заряд. Объясните, все ли атомы, из которых состоит заряженная палочка, нейтральны. Почему? Изменилась ли масса стеклянной палочки после сообщения ей положительного заряда? Как? Почему?

Выводы. Домашнее задание.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе.М.,Просвещение,1981.
  2. Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия,1984.
  3. Храмов Ю.А. Физики, биографический справочник. М., Наука,1983.
  4. Бублейников Ф.Д., Веселовский И. Н., Физика и опыт. М, Просвещение, 1970.
  5. Большая Российская энциклопедия. М. Научное издательство, Большая Российская энциклопедия, 2005.
  6. Марио Льоцци. История физики. М., Мир,1970.,
  7. Мякишев Г.Я , Буховцев Б.Б. Физика 11 класс М.Просвещение 2003г
  8. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 11 класс, М. Илекса 2006г.
  9. Шахмаев Н.М., Шахмаев С.Н., Шодиев Д.Ш. Физика 11 класс, М.Просвещение 1998г.

Технологическая карта урока

Планируемые образовательные результаты.

  1. Предметные:
  2. Метапредметные:
  3. Личностные:
  4. Решаемые учебные проблемы:
  5. Основные понятия, изучаемые на уроке:
  6. Вид используемых на уроке средств ИКТ:
  7. Методическое назначение средств ИКТ:
  8. Аппаратное и программное обеспечение:
  9. Образовательные интнрнет-ресурсы:

Этап 1. Вхождение в тему урока и создание условий для осознанного восприятия нового материала.

  1. Формирование конкретного образовательного результата:
  2. Длительность этапа:
  3. Основной вид учебной деятельности, направленный на формирование данного образовательного результата:
  4. Методы обучения:
  5. Средства ИКТ для реализации данного вида учебной деятельности:
  6. Форма организации учебной деятельности:
  7. Роль учителя на данном этапе:
  8. Основные виды деятельности учителя:

Этап 2. Организация и самоорганизация учащихся в ходе дальнейшего усвоения материала. Организация обратной связи.

  1. Формирование конкретного образовательного результата:
  2. Длительность этапа:
  3. Основной вид учебной деятельности, направленный на формирование данного образовательного результата:
  4. Методы обучения:
  5. Средства ИКТ для реализации данного вида учебной деятельности:
  6. Форма организации деятельности учащихся:
  7. Роль учителя на данном этапе:
  8. Основные виды деятельности учителя:

Этап 3. Практикум.

  1. Формирование конкретного образовательного результата:
  2. Длительность этапа:
  3. Основной вид учебной деятельности, направленный на формирование данного образовательного результата:
  4. Методы обучения:
  5. Средства ИКТ для реализации данного вида учебной деятельности:
  6. Форма организации деятельности учащихся:
  7. Роль учителя на данном этапе:
  8. Основные виды деятельности учителя:

Этап 4. Проверка полученных результатов. Коррекция.

  1. Длительность этапа:
  2. Виды учебной деятельности для проверки полученных образовательных результатов:
  3. Средства ИКТ для реализации видов учебной деятельности:
  4. Методы контроля:
  5. Способы коррекции:
  6. Форма организации деятельности учащихся:
  7. Роль учителя на данном этапе:
  8. Основные виды деятельности учителя:

Этап 5. Подведение итогов. Домашнее задание.

  • Рефлексия по достигнутым либо недостигнутым образовательным результатам:

Модель строения атома по резерфорду. Школьная энциклопедия. Роль открытия Резерфорда

Стали важным шагом в развитии физики. Огромное значение имела модель Резерфорда. Атом как система и частицы, его составляющие, был изучен более точно и подробно. Это привело к успешному становлению такой науки, как ядерная физика.

Античные представления о строении вещества

Предположение о том, что окружающие тела состоят из мельчайших частиц, были высказаны еще в античные времена. Мыслители того времени представляли атом в виде мельчайшей и неделимой частицы любого вещества. Они утверждали, что нет во Вселенной ничего меньшего по размеру, чем атом. Таких взглядов придерживались великие древнегреческие ученые и философы – Демокрит, Лукреций, Эпикур. Гипотезы этих мыслителей сегодня объединены под названием «античный атомизм».

Средневековые представления

Времена античности прошли, и в средние века также были ученые, которые высказывали различные предположения о строении веществ. Однако преобладание религиозных философских взглядов и власть церкви в тот период истории на корню пресекали любые попытки и стремления человеческого разума к материалистическим научным выводам и открытиям. Как известно, средневековая инквизиция весьма недружелюбно вела себя с представителями научного мира того времени. Остается сказать, что у тогдашних светлых умов было пришедшее из античности представление о неделимости атома.

Исследования 18-19 веков

18 столетие было отмечено серьезными открытиями в области элементарного строения вещества. Во многом благодаря стараниям таких ученых, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов и Независимо друг от друга они сумели доказать, что атомы действительно существуют. Но вопрос об их внутреннем строении оставался открытым. Конец 18 века был отмечен таким знаменательным событием в научном мире, как открытие Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов. Это стало по-настоящему мощным прорывом того времени и приоткрыло завесу над пониманием того, что все атомы имеют единую природу, что они родственны друг другу. В дальнейшем, в 19 веке, еще одним важным шагом на пути к разгадке строения атома стало доказательство того, что в составе любого из них присутствует электрон. Работа ученых этого периода подготовила благодатную почву для открытий 20-го века.

Эксперименты Томсона

Английский физик Джон Томсон в 1897 году доказал, что в состав атомов входят электроны с отрицательным зарядом. На этом этапе ложные представления о том, что атом – предел делимости любого вещества, были окончательно разрушены. Как же Томсон сумел доказать существование электронов? Ученый в своих опытах помещал в сильно разреженные газы электроды и пропускал электрический ток. В результате возникали катодные лучи. Томсон тщательно изучил их особенности и обнаружил, что они являются потоком заряженных частиц, которые движутся с огромной скоростью. Ученый сумел высчитать массу этих частиц и их заряд. Он также выяснил, что их нельзя преобразовать в нейтральные частицы, поскольку электрический заряд – это основа их природы. Так были Томсон является и создателем первой в мире модели строения атома. Согласно ей, атом – это сгусток положительно заряженной материи, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Такое строение объясняет общую нейтральность атомов, так как противоположные заряды уравновешивают друг друга. Опыты Джона Томсона стали неоценимо важными для дальнейшего изучения строения атома. Однако многие вопросы оставались без ответа.

Исследования Резерфорда

Томсон открыл существование электронов, но он не сумел найти в атоме положительно заряженных частиц. исправил это недоразумение в 1911 году. Во время экспериментов, изучая активность альфа-частиц в газах, он обнаружил, что в атоме присутствуют частицы, положительно заряженные. Резерфорд увидел, что при прохождении лучей сквозь газ или через тонкую металлическую пластину происходит резкое отклонение незначительного количества частиц от траектории движения. Их буквально отбрасывало назад. Ученый догадался, что такое поведение объясняется столкновением с положительно заряженными частицами. Такие эксперименты позволили физику создать модель строения атома Резерфорда.

Планетарная модель

Теперь представления ученого несколько отличались от предположений, высказанных Джоном Томсоном. Разными стали и их модели атомов. позволил ему создать совершенно новую теорию в этой области. Открытия ученого имели решающее значение для дальнейшего развития физики. Модель Резерфорда описывает атом как ядро, расположенное в центре, и движущиеся вокруг него электроны. Ядро обладает положительным зарядом, а электроны – отрицательным. Модель атома по Резерфорду предполагала вращение электронов вокруг ядра по определенным траекториям – орбитам. Открытие ученого помогло объяснить причину отклонения альфа-частиц и стало толчком к развитию ядерной теории атома. В модели атома Резерфорда прослеживается аналогия с движением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Это очень точное и яркое сравнение. Поэтому модель Резерфорда, атом в которой движется вокруг ядра по орбите, была названа планетарной.

Работы Нильса Бора

Двумя годами позже датский физик Нильс Бор попытался объединить представления о строении атома с квантовыми свойствами светового потока. Ядерная модель атома Резерфорда была положена ученым в основу его новой теории. По предположению Бора, атомы вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. Такая траектория движения приводит к ускорению электронов. Кроме того, кулоновское взаимодействие этих частиц с центром атома сопровождается созданием и расходованием энергии для поддержания пространственного электромагнитного поля, возникающего из-за движения электронов. При таких условиях отрицательно заряженные частицы должны когда-нибудь упасть на ядро. Но этого не происходит, что указывает на большую устойчивость атомов как систем. Нильс бор понял, что законы классической термодинамики, описанные уравнениями Максвелла, не работают во внутриатомных условиях. Поэтому ученый поставил перед собой задачу вывести новые закономерности, которые были бы справедливы в мире элементарных частиц.

Постулаты Бора

Во многом благодаря тому, что существовала модель Резерфорда, атом и его составляющие были неплохо изучены, Нильс Бор смог подойти к созданию своих постулатов. Первый из них гласит о том, что атом имеет при которых он не изменяет свою энергию, а электроны при этом движутся по орбитам, не меняя своей траектории. Согласно второму постулату, при переходе электрона с одной орбиты на другую происходит выделение или поглощение энергии. Она равна разности энергий предшествующего и последующего состояний атома. При этом, если электрон перепрыгивает на более близкую к ядру орбиту, то происходит излучение и наоборот. Несмотря на то что движение электронов мало напоминает орбитальную траекторию, расположенную строго по окружности, открытие Бора позволило получить великолепное объяснение существованию линейчатого спектра Приблизительно в это же время ученые-физики Герц и Франк, жившие в Германии, подтвердили учение Нильса Бора о существовании стационарных, стабильных состояний атома и возможность изменения значений атомной энергии.

Сотрудничество двух ученых

Кстати, Резерфорд длительное время не мог определить Ученые Марсден и Гейгер попытались осуществить перепроверку утверждений Эрнеста Резерфорда и в результате подробных и тщательных экспериментов и расчетов пришли к выводу о том, что именно ядро является важнейшей характеристикой атома, и в нем сосредоточен весь его заряд. В дальнейшем было доказано, что значение заряда ядра численно равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Интересно, что Нильс Бор вскоре познакомился с Резерфордом и полностью согласился с его взглядами. В последующем ученые длительно работали вместе в одной лаборатории. Модель Резерфорда, атом как система, состоящая из элементарных заряженных частиц, – все это Нильс Бор посчитал справедливым и навсегда отложил в сторону свою электронную модель. Совместная научная деятельность ученых была очень успешной и принесла свои плоды. Каждый из них углубился в изучение свойств элементарных частиц и сделал значимые для науки открытия. Позже Резерфорд обнаружил и доказал возможность разложения ядра, но это уже тема другой статьи.

Тема этого занятия – «Модели атомов. Опыт Резерфорда». На нём мы узнаем, как происходило изучение учеными сложной структуры атомов, как нашли объяснение этой теории, где полученные знания применяются на сегодняшний день. Также мы рассмотрим, как с помощью опыта Резерфорда можно изучить модель атома.

На предыдущем уроке мы обсудили, что в результате радиоактивности образуются различные виды излучений: a-, b-, и g-лучи. Появился инструмент, при помощи которого можно было изучать строение атома.

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном , который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10 -10 м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» – это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» – это электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду . На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда (рис. 2) и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.

Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.

В первую очередь здесь потерпела крах теория Томсона. По теории Томсона, атом представляет собой шар размером 10 -10 м, в котором положительный заряд размазан и есть электрон. Так вот, электроны – это очень маленькие частицы, они не могут препятствовать a-частицам, летящим с приличной скоростью. Скорость a-частиц в данном случае составляла около 10000 км/с.

Представьте себе ситуацию, когда грузовик столкнется с игрушечным автомобилем. Понятно, что грузовик даже не заметит такого автомобиля. Это мы можем привести как аналогию столкновения электрона с a-частицей. Значит, необходимо было сделать вывод, что атом устроен иначе, не так, как утверждал Томсон. И, видимо, в атоме золота есть объект более массивный, чем a-частица, имеющий положительный заряд.

Давайте посмотрим еще одну картину, которая характеризует рассеивание a-частиц на той массивной частице, наличие которой предсказал Резерфорд в атоме (рис. 3).

Рис. 3. Рассеивание альфа-частиц По результатам опытов можно было говорить, что в атоме есть массивный положительно заряженный объект. a-частица, сталкиваясь с этой большой частицей, может отразиться обратно. Те частицы, которые пролетают рядом, отклоняются на разные углы. Чем дальше a-частица пролетает от этого объекта, тем на меньший угол они отклоняются. Такое явление получило название «рассеивание a-частиц ».

Крупную частицу, которая находится внутри атома, Резерфорд назвал ядром. И даже оценил его размеры. По оценке Резерфорда, размеры ядра составили 10 -14 -10 -15 м. Этот объект был очень и очень мал по своим размерам по сравнению с атомом. Атом имеет размер порядка 10 -10 м. При этом практически вся масса атома была сосредоточена именно в ядре. И именно вокруг ядра обращаются электроны.

Отсюда следует планетарная модель Резерфорда, которая утверждает, что атом представляет собой массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по своим орбитам обращаются электроны (рис. 4). В целом атом электронейтрален, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома избыток или недостаток электронов, то его называют ион.

Рис. 4. Планетарная модель атома

Конечно, были и другие теории, представляющие интерес. На сегодняшний день общепринятой, с некоторыми оговорками, о которых поговорим позднее, является именно планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом.

Список литературы

  1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. – М.: Наука, 1980.
  2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. – М.: «Просвещение».
  3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. – М.: Наука.
  4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. – М.: Дрофа.
  5. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989.
  6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. – М.: Наука.
  7. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. – М.: Наука.
  8. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. – М.: Наука, 1965.

>> Строение атома. Опыты Резерфорда

Глава 12. АТОМНАЯ ФИЗИКА

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц – законы квантовой механики.

§ 93 СТРОЕНИЕ АТОМА. ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА

Модель Томсона. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом – атом водорода – представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10 -8 см, внутри которого находится электрон . У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Резерфорд Эрнест (1871 – 1937) – великий английский физик, уроженец Новой Зеландии. Своими экспериментальными открытиями заложил основы современного учения о строении атома и радиоактивности. Первым исследовал состав радиоактивных веществ. Открыл атомное ядро и впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер. Все поставленные им опыты носили фундаментальный характер, отличались исключительной простотой и ясностью.

Рассеяние (изменение направления движения) -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 12.1.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра l, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок – частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных топким пучком -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение -частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, – говорил Резерфорд, – как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».

В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить -частицу назад. Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона :

где q – заряд -частицы; q – положительный заряд атома; R – его радиус; k – коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая -частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке 12.2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 -10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10-100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева .

Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома водорода – это радиус орбиты его электрона (рис. 12.3).

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется со вершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию -частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движе ние электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбененой гибели атома вследствие потери энергии на излучение – это рс зультат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обра1ца ются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована эксне-риментально, но не позволяет объяснить устойчивсхть а тома.


1. Почему отрицательно заряженные частицы атома не оказывают заметного влияния на рассеяние -частиц!

2. Почему -частицы не могли бы рассеиваться на большие углы, если бы положительный заряд атома был распределен по всему его объему!

3. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики !

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. – 17-е изд., перераб. и доп. – М. : Просвещение, 2008. – 399 с: ил.

Сборник конспектов уроков по физике скачать , календарно-тематическое планирование, учебники по всем предметам онлайн

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 10. 03.2016 18:27 Просмотров: 5164

Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.

Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.

Открытие электрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.

Модель атома Томсона

Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали “моделью сливового пудинга”.

Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.

Опыт Резерфорда

Эрнест Резерфорд

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Опыт Резерфорда

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .

Планетарная модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорда

Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Почему атом существует

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?

Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

До конца XIX века считалось, что атом неделим. Но после того как английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 г. открыл электрон, стало понятно, что учёные ошибались.

Итак, открыв электрон , Томсон пришёл к выводу, что он обладает массой и имеет отрицательный заряд. Было сделано предположение, что электрон является составной частью атома. Но раз он имеет отрицательный заряд, следовательно, в состав атома должны входить частицы, имеющие положительный заряд, так как в целом атом нейтрален.

Модель атома Томсона

Томсон предложил свою модель атома. Он считал, что атом имеет форму шара. Внутри этого шара находится положительно заряженное вещество, в котором существуют отрицательно заряженные электроны. Свою модель Томсон в шутку называл «булочкой с изюмом». То есть, в его модели электроны как бы вкраплены в какую-то положительно заряженную массу, как изюминки в булочке.

Опыт Резерфорда

Опыт Резерфорда

Дальнейшие исследования атома учёными показали, что модель, предложенная Томсоном, была неправильной.

В 1909 г. английский физик Эрнест Резерфорд провёл опыт с рассеиванием альфа-частиц, которые образуются при распаде химического элемента радия. Масса альфа-частиц в 8000 раз превышает массу электрона.

В эксперименте Резерфорда пучок альфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Нужно сказать, что фольга была настолько тонка, что её толщина составляла практически один слой молекул. Если Томсон был прав, и атом состоял из некоего облака с электронами, то альфа-частицы, обладающие большой массой, должны были легко проходить через фольгу. Но на деле оказалось, что часть альфа-частиц действительно проходила, отклоняясь лишь на небольшой угол, а часть словно наталкивалась на какое-то препятствие и отскакивала назад. Это было невероятно. Впоследствии Резерфорд сравнивал свой опыт с выстрелом 15-дюймовым снарядом по папиросной бумаге. Результат его опыта был таким, как если бы снаряд не только не пробил папиросную бумагу, но и отскочил от неё. То есть внутри атома существовало что-то, мешавшее альфа-частицам проходить сквозь атом. Так как альфа-частицы имели положительный заряд, то, скорее всего, они проходили мимо других частиц с положительным зарядом. И размеры этих частиц были намного меньше размеров самого атома. Атом золота должен был состоять из ядра, имеющего положительный заряд и окружавших его отрицательно заряженных электронов.

Можно сказать, что это было рождение ядерной физики.

Планетарная модель атома

Модель атома Резерфорда

Резерфорд предложил свою модель атома, которая объясняла строение атома. Он считал, что вся основная масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. А вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные электроны так, как планеты вращаются вокруг Солнца. И вращаются электроны под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Модель Резерфорда была названа планетарной.

Электроны в атоме вращаются с такой огромной скоростью, что образуют над поверхностью ядра подобие облака. Все атомы располагаются на некотором расстоянии друг от друга. И не «слипаются» они, потому что вокруг ядра каждого атома существует свое электронное «облако», заряженное отрицательно. И это «облако» отталкивается от отрицательно заряженного электронного «облака» другого атома.

Но модель атома Резерфорда имела недостатки. Она была несовместима с законами классической физики. Почему электрон не падает на ядро? Потому что вращается вокруг него. Но, вращаясь, он должен излучать электромагнитные волны и терять энергию. И, постепенно растратив всю энергию, электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит в действительности. То есть, процессы, происходящие в атоме, не подчиняются классическим законам.

Впоследствии датский физик Нильс Бор дал объяснение этому явлению. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по стационарным орбитам, находясь на которых они не излучают энергию. И Бор оказался прав.

Модели атома до Бора. Курс истории физики

Модели атома до Бора

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 г. появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока (1865—1950), другая — английскому физику Д. Д. Томсону.

Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты»—электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

В атоме Томсона положительное электричество «размазано» по сфере, в которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При смещении из центра на электрон действует квазиупругая сила электростатического притяжения, под действием которой электрон совершает колебания. Частота этих колебаний определяется радиусом сферы, зарядом и массой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась несовместимой с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория «содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории».

В 1905 г. В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в котором электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много сомнительного».

Такой статической моделью был атом Кельвина — Томсона. И эта модель была общепринятой по причинам, указанным Вином.

Модель атома как планетной системы приходила в голову многим: о ней писал Л. Пуанкаре, о ней говорили и Вин, и Перрен, который в своем нобелевском докладе причислял себя к пионерам планетарной модели атома. Но эта модель наталкивалась на непреодолимую трудность, о которой говорил Вин, и поэтому уступила место модели Кельвина — Томсона.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели, факты эти были открыты Резерфордом.

Резерфорд. Эрнст Резерфорд родился 30 августа 1871 г. в семье новозеландского фермера. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 г. Через два года он сдал экзамен в Кен-терберийский колледж-филиал Новозеландского университета в Крайчестере. Резерфорд окончил колледж в 1893 г. с отличием и получил степень магистра по физике и математике. В это время Резерфорд занялся изучением магнитного действия электромагнитных волн. В 1894 г. в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничение железа высокочастотными разрядами». В 1895 г. оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Д. Д. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.

Резерфорд, продолжая свою работу над магнитным детектором, вместе с тем заинтересовался исследованиями Томсона по электропроводности газов В 1896 г. появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена».

В 1897 г. выходит в свет заключительная статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании газового разряда В том же, 1897 г. появляется его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами».

Открытие радиоактивности определило научный путь Резерфорда. В 1898 г. он приступил к тщательному изучению свойств уранового излучения. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность». Она была опубликована в 1899 г., когда Резерфорд был профессором кафедры теоретической физики университета Мак-Гилла в Монреале (Канада), куда он прибыл в сентябре 1898 г.

В Монреале Резерфорд пробыл с 1898 по 1907 г. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация тория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательное исследование природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по прохождению а-частиц через вещество.

Рис. 62. Резерфорд в лаборатории в Канаде

Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале (им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность») принес Резерфорду славу первоклассного исследователя. Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 г. Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период его жизни.

В Манчестере Резерфорд развернул кипучую деятельность, привлекая молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников был немецкий физик Ганс Гейгер (1882—1945), создатель первого счетчика элементарных частиц — счетчика Гейгера. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден, К. фаянс, Г. Мо-зли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В Манчестер в 1912 г. приехал Нильс Бор, который позже вспоминал об этом периоде: «В это время вокруг Резерфорда группировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью как физика и редкими способностями как организатора научного коллектива».

В этой атмосфере коллективного научного творчества родились крупные научные достижения Резерфорда, из которых в первую очередь следует отметить разгадку природы а-частиц и открытие ядерного строения атома.

Сюда же следует присоединить и знаменитые статьи Бора по квантовой теории планетарного атома. В Манчестере было положено начало квантовой и ядерной физике. В 1908 г. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии.

Плодотворная работа резерфордовской группы в Манчестере была прервана войной. Война разбросала дружный коллектив по разным, враждующим друг с другом странам. Сам Резерфорд был привлечен к военным исследованиям. Был убит Мозли, только что прославивший свое имя крупным открытием в спектроскопии рентгеновских лучей, Чедвик томился в немецком плену. Лишь по окончании войны Резерфорд смог возобновить свои исследования, но уже в другом месте. С 1919 г. и до самой смерти, последовавшей 19 октября 1937 г., Резерфорд работал директором Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Он начал эту работу сенсационным открытием искусственного превращения элементов. Это открытие необычайно стимулировало развитие ядерной физики. Сам Резерфорд в ходе своих исследований предсказал существование нейтральной частицы, равной по массе ядру водорода. Такая частица была найдена в 1932 г. его учеником и сотрудником Чедвиком (1891—1974). В Кембридже ф. Астоном (1877-1945) был построен первый масс-спектрограф и открыты изотопы. В Кембридже в 1932 г. была осуществлена Кокроф-том и Уолтоном реакция расщепления лития протонами, ускоренными с помощью высоковольтного ускорителя.

Кембридж вновь собирал исследователей из разных стран мира и готовил квалифицированные кадры ученых-физиков для многих стран.

Сюда приехал молодой советский физик П. Л. Капица, ставший активным сотрудником и другом Резерфорда, создавший впоследствии у себя на родине первоклассный научный институт—Институт физических проблем Академии наук СССР, ныне носящий имя С. И. Вавилова. По инициативе П. Л. Капицы в 1971 г. в Советском Союзе было отмечено 100-летие со дня рождения великого ученого. Было издано собрание трудов Резерфорда, выпущена юбилейная медаль. На XIII Международном конгрессе по истории науки, состоявшемся в августе 1971 г. в Москве, памяти Резерфорда было посвящено специальное заседание, на котором выступили с воспоминаниями ученики Резерфорда, приехавшие из Англии, Канады и США. Заседание проходило под председательством П. Л. Капицы, вручавшего всем докладчикам памятную медаль Резерфорда и том его трудов на русском языке.

Строение атома.

Опыт Резерфорда

ПЛАН – КОНСПЕКТ ОТКРЫТОГО УРОКА ПО ФИЗИКЕ СТРОЕНИЕ АТОМА. ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА. Отыщи всему начало, и ты многое поймёшь Тема урока: Строение атома. Опыт Резерфорда.  Козьма Прутков Тип урока: урок изучения нового материала. Вид урока: стандартный урок. Цель урока: изучить строение атома; рассмотреть фундаментальный опыт Резерфорда. 1 Задачи: Образовательные:   Изучить планетарную модель атома.   Познакомить учащихся с гипотезой Томсона и фундаментальным опытом  Резерфорда.  Развивающая:    Развивать интеллектуальные и творческие способности учащихся.  Воспитательные:   Развивать познавательный интерес к предметам.   Показать значение опытных фактов.  Оборудование:  компьютер, проектор для показа набора слайдов: графические задания, портреты ученых, модели атомов Томсона и Резерфорда, Опыт Резерфорда (фрагмент), наглядные пособия. Ход урока. I. Подготовительная часть: оргмомент, постановка цели урока. II. Основная часть: 1. Фронтальный опрос: ­ Каковы были взгляды о строении вещества в древности? ­ Как переводится с греческого слово «атом»? ­ Какое явление стало свидетельством сложного строения атома? ­ Кем и в каком году оно было открыто? ­ В чем заключается явление радиоактивности? ­ Кем и как проводился опыт по изучению состава радиоактивности? ­   Как   были   названы   частицы,   входящие   в   состав радиоактивного излучения? ­ По рисунку определите заряд и название каждого из трех лучей? Почему вы так считаете? 2.  Актуализация знаний. ­ Какие заряды существуют в природе? ­ Каким образом они взаимодействуют друг с другом? 3. Изучение нового материала. Слово “атом” придумал очень давно более 2500 лет назад древнегреческий философ  Демокрит. С греческого “атом” переводится как “неделимый”. Так ли это? В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это  история открытия сложного строения атома. В конце XIX­ начале XX в. идеи о  2 строении атома витали в воздухе, различные догадки ученых создавали духовную  атмосферу, в которой, в конце концов, и рождалось открытие, ведь в то время ничего о  внутреннем строении атома не было известно.             После открытия в 1897 г. электрона, входящего в состав   атома,   был   сделан   вывод   о   сложном   строении   атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена английским   физиком   Дж.  Дж.  Томсоном,  открывшим   электрон. Согласно этой   модели вещество   в   атоме   несет положительный   заряд   и равномерно   заполняет   весь атома.   Электроны   “вкраплены”   в Первая модель атома сыграла положительную роль. требовала доказательств. объем атом. Но   она   Чтобы   проверить   гипотезу   Дж.   Дж.   Томсона   необходимо   провести эксперимент, что и сделал Э. Резерфорд. Он решил проникнуть внутрь   атома   с   помощью     которые   имели положительный заряд, массу почти в 7300 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 20000км/c). С точки α зрения   Резерфорда   ­частицы   должны   были   легко   “пробить” атом   и   тем   самым   доказать   справедливость   модели   атома Томсона.  ­частиц, α бы следующую картину:  Если бы атом был устроен так, предполагал Дж.Томсон, то Э.Резерфорд α ­ частицы пробивают атом и практически   не   отклоняясь пролетают сквозь него.  как увидел Схему   экспериментальной   установки   Резерфорда   вы   с видите   на   рисунке. небольшим  отверстием   находился   радиоактивный  препарат, испускавший   поток   ­частиц.   Они   попадали   на   золотую фольгу и, проходя через нее, ударялись о люминесцирующий   В   цилиндрическом   сосуде   α   экран.  В местах удара частиц на экране возникали вспышки света. То,   что   некоторые   α ­частицы   отскакивали   от   фольги   назад,   противоречило модели   Томсона.   Результаты   эксперимента   настолько   удивили   Резерфорда,   что   он воскликнул:   “…   неправдоподобно   так   же,   как   если   бы   вы   выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил бы вас самих”.  3 Чтобы объяснить результаты опыта, Резерфорд рассуждал так. Известно, что  ­α частицы имеют положительный заряд. Если некоторые из них отталкиваются фольгой назад, значит, положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку бoльшая α часть  ­частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь при этом, значит, этот положительный заряд занимает лишь малую часть каждого атома. Ее назвали ядром атома. Подсчитывая частицы, отклоняющиеся после пролета фольги на большие и малые углы, определили приблизительные размеры ядра: около 10­14  м. Это число оказалось примерно в 10 000­ 100 000 раз меньше размеров самого атома.  Поэтому свободное пространство   в   модели   атома   Резерфорд   “заполнил”   электронами   Он,   в   частности, говорил, что атом “состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке   и   окруженного   однородным   сферическим   распределением   противоположного электричества равной величины”. Наблюдавшееся   Резерфордом   рассеяние заряженных   частиц   и   объясняется   таким распределением зарядов в атоме При столкновениях α с   отдельными   электронами   ­частицы   испытывают отклонения на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда она пролетает на близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля ядра может произойти отклонение на большой угол. Так как большая часть пространства в атоме пуста, быстрые  α ­частицы могут почти свободно проникать через значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов. Итак, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в   котором   сосредоточена   почти   вся   масса   атома.   Атом   в   целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.  Размеры  .  Атом: 10­10  м; ядро: 10­10 – 10­14 м. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре­ 99,95 %. Из опытов следует, что ядро и отталкивает альфа­частицу, причем тем сильнее, чем ближе к ядру она проходит. По соотношению между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц рассчитывается размер ядра и заряд ядра. Оказалось,   что   радиус   ядра   имеет   порядок   10  ­   12  см   (10  ­   14  м).   Заряд   же   ядра положителен и определяется формулой q = Z•e, где Z ­ порядковый номер элемента в периодической системе, а е­ модуль заряда электрона”.        Таким образом, на сегодня известно точно, что… (учитель ­ на доске, ребята ­ в тетради составляют схему­таблицу строения атома).    4 Строение всех атомов зашифровано в периодической системе химических элементов.   Порядковый номер химического элемента показывает электрический заряд ядра атома  Z , этот заряд численно равен сумме протонов в ядре атома электрически нейтральная частица, то суммарный положительный заряд атома равен  суммарному отрицательному заряду, следовательно, равен числу электронов в  оболочке атома массового числа атома вычитаем заряд ядра: 4. Отработка изученного материала проводится с помощью вопросов,  предложенных в мультимедийном пособии, а также: а) Опроверг ли своими опытами Э. Резерфорд модель атома Томсона?  Чтобы вычислить число нейтронов в ядре из  ; т.к. атом в целом  .   Какая модель атома вытекает из опытов Э. Резерфорда?   Что принимается за размер атома в планетарной модели атома?  б) задача с выбором ответа:  Опыты Резерфорда по рассеянию альфа­частиц показали:       электрон вращается в атоме по круговой орбите;  альфа­частицы положительно заряжены;  атом не взаимодействует с альфа­частицами;  атом состоит из малого по объему и массивного ядра и легких электронов;  атом состоит из заряженных частей.   Выберете правильный и исчерпывающий ответ. в) заполняем таблицу вместе с учащимися г) фронтальный опрос:   Чем отличаются протоны и электроны?   Сходство и различие протонов и нейтронов?   Какой заряд имеет атом меди?   Из чего складывается масса атома?   Предлагаем вашему вниманию сочинение. Как вы думаете, о чём идёт речь в  сочинении? 5 Таким   образом,   в   результате     опытов   по   рассеянию   несостоятельность модели атома Томсона и выдвинута ядерная модель. α ­частиц   была   доказана 5. Выполнение тестовой работы на два варианта (задания на рабочем листе у  каждого учащегося, работы сдаются для проверки) III. Закрепление. ­ С какой целью проводился опыт Резерфорда? ­ Пользуясь рисунком расскажите, как проводился опыт Резерфорда по рассеянию  частиц? ­α ­ Какие результаты были получены в ходе опыта? ­ Каковы вывода Резерфорда? ­ Что представляет атом согласно ядерной модели, выдвинутой Резерфордом? ­ Каковы размеры атома и ядра? ­ По рисунку расскажите, как проходят  α ­ частицы сквозь атомы вещества? Почему? Заполните схему: Атом Электронная оболочка   Ядро протоны нейтрон ы IV. Самостоятельная работа (4 – 5 мин). Вариант 1.                                1. В состав ядра атома входят следующие частицы: А) только протоны;                    В) протоны и электроны; 6 Б) нейтроны и протоны;            Г) нейтроны и электроны.  – частица,  α 2. Какой заряд имеют  α А)   ­ частица – отрицательный,  α β Б)  ­ и  ­ частицы – положительные; α В)  ­ частица – положительный,  α β ­ и  ­ частицы – отрицательные. Г)  β  – частица – отрицательный; β  – частица? β  – частица – положительный; α  – излучение? 3. Что такое  А) поток положительных ядер атома гелия; Б) поток электронов; В) поток нейтральных частиц; Г) поток электромагнитного излучения α 4. Современная модель структуры атома обоснована опытами: А) по рассеянию  Б) по сжимаемости жидкости; В) по электризации; Г) по тепловому расширению. ­ частиц; 5. Кто предложил ядерную модель строения атома? А) Беккерель;                          В) Кюри; Б) Томсон;                               Г) Резерфорд. 6. По современным представлениям атом – это: А) маленькая копия молекулы вещества; Б) мельчайшая частица молекулы вещества; В)  однородный положительный шар с вкраплениями электронов; Г) положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны.   7. С помощью опытов Резерфорд установил, что: А) положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома; Б) положительный заряд сосредоточен в центре атома и имеет малый объем; В) в состав атома входят электроны; Г) атом не имеет внутренней структуры. Вариант 2.                                         1. С помощью опытов Резерфорд установил, что: А) положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома; Б) положительный заряд сосредоточен в центре атома и имеет малый объем; В) в состав атома входят электроны; Г) атом не имеет внутренней структуры. γ 2. Какой заряд имеют  А)  ­ частица – положительный,  ­ излучение – отрицательный; Б)  ­ частица – отрицательный,  ­ излучение – не имеет заряда; β  – частица?  – частица,  γ γ β β 7 β В)  ­ и  ­ частицы – положительный; Г)  γ β  – частица не имеет заряда,  ­ излучение – положительный. γ 3. Кто открыл явление радиоактивности? А) М. Кюри;                          В) Э. Резерфорд; Б) ДЖ. Томсон;                     Г) А.  Беккерель. β  – излучение? 4. Что такое  А) поток положительных ядер атома гелия; Б) поток электронов; В) поток нейтральных частиц; Г) поток электромагнитного излучения. 5. Из каких частиц состоят ядра атомов? А) из протонов; Б) из нейтронов; В) из протонов и нейтронов; Г) из протонов, нейтронов и электронов. γ  – излучение? 6. Что такое  А) поток положительных ядер атома гелия; Б) поток электронов; В) поток нейтральных частиц; Г) поток электромагнитного излучения. 7.Современная модель структуры атома обоснована опытами: А) по рассеянию  Б) по сжимаемости жидкости;           Г) по тепловому расширению. ­ частиц;                В) по электризации; α V. Подведение итогов. Вернемся к эпиграфу урока: «Отыщи всему начало, и ты многое поймёшь». Я думаю, что   на   сегодняшнем   уроке   «начало»   мы   отыскали.   А   многое   понять   и   узнать   нам предстоит на наших следующих уроках. На   волне   открытий   строения   атома   поэт   Валерий   Брюсов   в   1922   году   написал стихотворение “Мир электрона”, в котором провел аналогию между строением атома и Солнечной системы. Мир электрона. Быть может, эти электроны­  Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны  И память сорока веков. 8 Еще, быть может, каждый атом ­  Вселенная, где сто планет,  Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но так же то, чего здесь нет. Их меры малы, но все та же  Их бесконечность, как и здесь,  Там скорбь и страсть, как здесь, и даже  Там та же мировая спесь… Д/з. § 93.                  Приложение 1 Тема урока: “Строение атома” Рабочий лист 1.  Демокрит (др. греч.):                       2.  Модель  Дж. Дж. Томсона: «атом» ­ «                              ».              (дорисуй модель) К Е К С 3. Планетарная модель атома:   1. ­                                                                            2. ­                                                                               4. Заполни схему: «Состав атома». 1 2         5. 5.Заполни таблицу: 9 6. Ответьте на вопрос: Что произойдёт с атомом, если изменить количество  электронов? 1H0     ­ 1       → 1H+1                                            ?  _____________________________   1H0     + 1       → 1H­1                                             ?  ____________________________ Частицы, которые получились при отдаче (потере) и принятии  (присоединении)  Атомы одного вида, но имеющие разные числа нейтронов (разные массы),  называются изотопами.  и  приобрели заряд, называются ионами. ___________________ 9. Закончи предложение: Если бы не было открыто строение атома, то _______________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________ 10.Домашнее задание § 93. Заполни таблицу: химические элементы ядро  Протоны, p  Нейтроны, n Электроны,  e 16 8 О 11 5 В   23 11 Na    201 80 Hg 27 13 Al 10 11

Развитие атомной теории

 

Модерн Атомная теория: Модели

 

В 1897 г., Дж.Дж. Томсон открыл электрон экспериментируя с трубкой Крукса, или электронно-лучевой трубкой. Он показали, что катодные лучи были заряжены отрицательно. Кроме того, он также изучал положительно заряженные частицы в газообразном неоне. Томсон понял, что в принятая модель атома не учитывала отрицательно или положительно взимается частицы.Поэтому он предложил модель атома, которую уподоблял сливаться пудинг. Отрицательные электроны представляли собой изюминки в пудинге. и тесто содержало положительный заряд. Модель атома Томсона сделала объяснять некоторые электрические свойства атома обусловлены электронами, но не удалось признать положительные заряды в атоме частицами.

В 1911 году Эрнест Резерфорд, бывший ученик Дж.Дж. Томсон доказал, что структура сливового пудинга Томсона неверна.Резерфорд при содействии Эрнеста Марсдена и Ганса Гейгера серия Эксперименты с альфа-частицами. Резерфорд направленный альфа-частицы на твердых веществах, таких как золотая фольга, и зафиксировали место нахождения альфа-частицы «ударяют» по флуоресцентному экрану, когда они прошел сквозь фольгу. К удивлению экспериментаторов, хотя большая часть альфа-частицы прошли через золотую фольгу без изменений, как и ожидалось. небольшой часть частиц отклонялись под углом, а некоторые рикошетили прямая спина.Резерфорд пришли к выводу, что атом состоит небольшого, плотного, положительно заряженного ядра в центре атома с участием окружающие его отрицательно заряженные электроны. Открытие ядро считается резерфордовским величайший научная работа.

13.2 Открытие частей атома: электронов и ядер

Электрон

Газоразрядные трубки, такие как показанные на рисунке 13.4, состоят из вакуумированной стеклянной трубки, содержащей два металлических электрода и разреженный газ. Когда на электроды подается высокое напряжение, газ светится. Эти лампы были предшественниками современных неоновых ламп. Впервые они были серьезно изучены Генрихом Гейсслером, немецким изобретателем и стеклодувом, начиная с 1860-х годов. Английский ученый Уильям Крукс среди прочих продолжал изучать то, что некоторое время называлось трубками Крукса, в которых электроны освобождаются от атомов и молекул в разреженном газе внутри трубки и ускоряются от катода — отрицательного — к аноду — положительному. — высоким потенциалом.Эти катодные лучи сталкиваются с атомами и молекулами газа и возбуждают их, что приводит к испусканию электромагнитного излучения, которое делает путь электронов видимым в виде луча, который распространяется и исчезает по мере удаления от катода.

Газоразрядные трубки сегодня чаще всего называют электронно-лучевыми трубками, потому что излучение исходит от катода. Крукс показал, что электроны обладают импульсом — они могут заставить вращаться маленькое гребное колесо. Он также обнаружил, что их обычно прямой путь изгибается магнитом в направлении, ожидаемом для отрицательного заряда, удаляющегося от катода.Это были первые прямые указания на электроны и их заряд.

Рис. 13.4 Газоразрядная трубка светится при приложении к ней высокого напряжения. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду; они возбуждают атомы и молекулы газа, которые в ответ светятся. Когда-то они назывались трубками Гейсслера, а затем трубками Крукса, теперь они известны как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и используются в старых телевизорах, экранах компьютеров и рентгеновских аппаратах. При приложении магнитного поля луч изгибается в направлении, ожидаемом для отрицательного заряда.(Пол Дауни, Flickr)

Английский физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) улучшил и расширил область экспериментов с газоразрядными трубками (см. рис. 13.5 и рис. 13.6). Он проверил отрицательный заряд катодных лучей как магнитным, так и электрическим полями. Кроме того, он собрал лучи в металлическую чашку и обнаружил избыток отрицательного заряда. Томсон также смог измерить отношение заряда электрона к его массе, qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {}{}/me/me — важный шаг к нахождению фактических значений и qeqe, и я.me. На рис. 13.7 показана электронно-лучевая трубка, производящая узкий пучок электронов, проходящий через зарядные пластины, подключенные к высоковольтному источнику питания. Электрическое поле ЕЕ величиной 12{Е} {} создается между зарядными пластинами, а электронно-лучевая трубка помещается между полюсами магнита так, что электрическое поле ЕЕ величиной 12{Е} {} перпендикулярно магнитному полю BB размер 12{B}{} магнита. Эти поля, будучи перпендикулярными друг другу, производят на электроны противоположные силы.Как обсуждалось для масс-спектрометров в «Других приложениях магнетизма», если результирующая сила, вызванная полями, равна нулю, то скорость заряженной частицы равна v=E/B. v=E/B. size 12{v=E/B} {} Таким образом, Томсон определил скорость электронов, а затем перемещал луч вверх и вниз, регулируя электрическое поле.

Рисунок 13.5 Дж. Дж. Томсон (www.firstworldwar.com, через Wikimedia Commons)

Рисунок 13.6 Схема ЭЛТ Томсона.(Курзон, Викисклад)

Рисунок 13.7 На этой схеме показан электронный пучок в ЭЛТ, проходящий через скрещенные электрические и магнитные поля и вызывающий свечение люминофора при попадании на конец трубки.

Чтобы увидеть, как величина отклонения используется для расчета qe/me,qe/me, размер 12{q rSub { размер 8{e} } /m rSub { размер 8{e} } } {} обратите внимание, что отклонение пропорциональна электрической силе, действующей на электрон.

13.1 F=qeEF=qeE size 12{F=q rSub { size 8{e} } E} {}

Но вертикальное отклонение также связано с массой электрона, поскольку ускорение электрона равно

13.2 a=Fme.a=Fme. size 12{a= { {F} over {m rSub { size 8{e} } } } } {}

Значение FF size 12{F} {} неизвестно, так как qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {} еще не было известно. Подставляя выражение для электрической силы в выражение для ускорения, получаем

13.3 а=Fme=qeEme.a=Fme=qeEme. размер 12 {a = { {F} более {m rSub { размер 8 {e} } } } = { {q rSub { размер 8 {e} } E} более {m rSub { размер 8 {e} } } } ” .” } {}

Собираем термины, имеем

13.4 qeme=aE.qeme=aE.size 12{ { {q rSub { size 8{e} } } over {m rSub { size 8{e} } } } = {{a} over {E} } } } {}

Прогиб анализируется для получения a, а, типоразмера 12{а} {} и ЭЭ типоразмера 12{Е} {} определяется по приложенному напряжению и расстоянию между пластинами; таким образом, размер qemeqeme 12{ { {q rSub { размер 8 {e} } } над {m rSub { размер 8 {e} } } } } {} может быть определен. Зная скорость, другое измерение qemeqeme размера 12{ { {q rSub { size 8{e} } } над {m rSub { size 8{e} } } } } } {} можно получить, изогнув пучок электронов с магнитное поле.Так как Fmag=qevB=mea,Fmag=qevB=mea, размер 12{F rSub { размер 8{“mag”} } =q rSub { размер 8{e} } ital “vB”=m rSub { размер 8{e} } a} {} имеем qe/me=a/vB. qe/me=a/vB. size 12{q rSub { size 8{e} } /m rSub { size 8{e} } =a/ ital “vB”} {} Согласованные результаты получаются при использовании магнитного отклонения.

Что такого важного в qe/me,qe/me, size 12{q rSub { size 8{e} } /m rSub { size 8{e} } } {} отношение заряда электрона к его массе? Полученное значение равно

·13,5 qeme=-1,76·1011 Кл/кг (электрон).qeme=-1,76×1011 Кл/кг (электрон). size 12{ { {q rSub { size 8{e} } } over {m rSub { size 8{e} } } } = – 1 “.” “76” умножить на “10” rSup { размер 8 {“11”} } “Кл/кг”} {}

Это огромное число, как понял Томсон, и оно подразумевает, что электрон имеет очень маленькую массу. Из гальванотехники было известно, что для нанесения покрытия на материал требуется около 108 Кл/кг108 Кл/кг размера 12{“10” rSup {размер 8{8}} “Кл/кг”} {}, что примерно в 1000 раз меньше, чем заряд на килограмм электронов. Томсон провел тот же эксперимент с положительно заряженными водородными ионами — теперь известно, что это голые протоны — и обнаружил, что заряд на килограмм примерно в 1000 раз меньше, чем у электрона, подразумевая, что протон примерно в 1000 раз массивнее электрона. .Сегодня мы знаем более точно, что

13,6 qpmp=9,58×107 Кл/кг (протон),qpmp=9,58×107 Кл/кг (протон), размер 12{ { {q rSub { размер 8{p} } } более { m rSub {размер 8{p} } } } =9 “.” «57» умножить на «10». 12{m rSub { size 8{p} } } {} — его масса. Это отношение — до четырех значащих цифр — в 1836 раз меньше заряда на килограмм, чем у электрона. Поскольку заряды электронов и протонов равны по величине, отсюда следует, что mp=1836me.т.п.=1836me. size 12{m rSub { size 8{p} } =”1836″m rSub { size 8{e} } } {}

Томсон провел множество экспериментов, используя различные газы в разрядных трубках и используя другие методы, такие как фотоэлектрический эффект для высвобождения электронов из атомов. Он всегда находил одни и те же свойства для электрона, доказывая, что это независимая частица. За свою работу, важные части которой он начал публиковать в 1897 году, Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года. Оглядываясь назад, трудно понять, насколько удивительно было обнаружить, что у атома есть субструктура. Сам Томсон сказал: «Только когда я убедился, что эксперимент не оставил мне выхода, я опубликовал свою веру в существование тел меньше атома».

Томсон попытался измерить заряд отдельных электронов, но его метод смог определить его заряд только в ожидаемом порядке величины.

После экспериментов Фарадея с гальванопокрытием в 1830-х годах стало известно, что для осаждения однократно ионизированных ионов требуется около 100 000 Кл на моль.Разделив это на количество ионов на моль, т. е. на число Авогадро, которое было приблизительно известно, заряд на ион был рассчитан примерно как 1,6×10-19 Кл, 1,6×10-19 Кл, размер 12{1″ .” 6 раз “10” rSup { размер 8{ – “19”} } ” C”} {} близко к фактическому значению.

Американский физик Роберт Милликен (1868–1953) (см. рис. 13.8) решил улучшить эксперимент Томсона по измерению размера qeqe 12{q rSub { size 8{e} } } {} и в конце концов был вынужден попробовать другой подход. , который сейчас является классическим экспериментом, проводимым студентами. Эксперимент Милликена с каплей масла показан на рис. 13.9.

Рисунок 13.8 Роберт Милликен (неизвестный автор, через Wikimedia Commons)

Рис. 13.9. Эксперимент Милликена с каплей масла привел к первому точному прямому измерению заряда электронов, одной из самых фундаментальных констант в природе. Мелкие капли масла заряжаются при распылении. Их движение наблюдается между металлическими пластинами с потенциалом, противодействующим гравитационной силе.Баланс гравитационных и электрических сил позволяет рассчитать заряд капли. Установлено, что заряд квантуется в единицах −1,6×10−19C, −1,6×10−19C, что напрямую определяет заряд избыточных и недостающих электронов на каплях масла.

В эксперименте Милликена с каплями масла мелкие капли масла распыляются из распылителя. Некоторые из них заряжаются в процессе и затем могут быть подвешены между металлическими пластинами за счет напряжения между пластинами. В этом случае вес капли уравновешивается электрической силой

13. 7 mdropg=qeEmdropg=qeE size 12{m rSub { size 8{“капля”} } g=q rSub { size 8{e} } E} {}

Электрическое поле создается приложенным напряжением, следовательно, E= V/d,E=V/d, размер 12{E=V/d} {} и размер VV 12{V} {} отрегулирован так, чтобы просто сбалансировать вес капли. Капли можно рассматривать как точки отраженного света с помощью микроскопа, но они слишком малы, чтобы напрямую измерить их размер и массу. Массу капли определяют, наблюдая, как быстро она падает при отключении напряжения. Поскольку сопротивление воздуха очень велико для этих субмикроскопических капель, более массивные капли падают быстрее, чем менее массивные, и сложные расчеты седиментации могут выявить их массу.Вместо воды используется масло, потому что оно не испаряется, и поэтому масса почти постоянна. Как только масса капли известна, заряд электрона определяется перестановкой предыдущего уравнения

. 13.8 q=mdropgE=mdropgdV,q=mdropgE=mdropgdV, размер 12{q= {{m rSub { размер 8{“капля”} } g} над {E} } = {{m rSub { размер 8{“капля” } } ital “gd”} свыше {V} } ,} {}

, где dd размер 12{d} {} — расстояние между пластинами, а VV размер 12{V} {} — напряжение, удерживающее каплю неподвижно. Одну и ту же каплю можно наблюдать в течение нескольких часов, чтобы убедиться, что она действительно неподвижна. К 1913 году Милликен измерил заряд электрона qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {} с точностью до 1 процента, и за несколько лет улучшил это значение в 10 раз, чтобы значение -1,60×10-19 с.-1,60×10-19 с. размер 12{ – 1 “.” “60” умножить на “10” rSup {размер 8{ – “19”} } “C”} {} Он также заметил, что все заряды кратны основному заряду электрона и что могут происходить внезапные изменения, при которых электроны добавляются или удаляются. из капель.За это очень фундаментальное прямое измерение размера qeqe 12{q rSub {size 8{e} } } {} и за исследования фотоэлектрического эффекта Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике 1923 года.

Зная заряд электрона и отношение заряда к массе, можно вычислить массу электрона. это

13,9 м=qeqeme.m=qeqeme. размер 12 {m = { {q rSub { размер 8 {e} } } над { слева ( { {q rSub { размер 8 {e} } } над {m rSub { размер 8 {e} } } } справа )} } “. ” } {}

Замена известных значений дает

13.10 me=-1,60×10-19 C-1,76×1011C/кгme=-1,60×10-19C-1,76×1011C/кг размер 12{m rSub {размер 8{e}} = { {- 1 “.” “60” раз “10” rSup {размер 8{ – “19”} } “C”} более {- 1 “.” “76” умножить на “10” rSup { size 8{“11”} } {C} косая черта {“kg”} } } } {}

или

13,11 me=9,11×10−31 кг (масса электрона),me=9,11×10−31 кг (масса электрона), размер 12{m rSub { размер 8{e} } =9 “.” “11” умножить на “10” rSup { размер 8{ – “31”} } ” кг”} {}

, где были исправлены ошибки округления. Масса электрона была проверена во многих последующих экспериментах и ​​теперь известна с точностью лучше одной миллионной.Это невероятно малая масса, и она остается наименьшей из известных масс любой частицы, имеющей массу. (Некоторые частицы, такие как фотоны, не имеют массы и не могут быть остановлены, а движутся со скоростью света.) Подобные вычисления дают массы других частиц, включая протон. Теперь известно, что с точностью до трех цифр масса протона составляет

13,12 mp=1,67×10−27 кг (масса протона), mp=1,67×10−27 кг (масса протона), размер 12{m rSub { размер 8 {P} } =1 “. ” “67” умножить на “10” rSup {размер 8{ – “27”} } “кг”} {}

, что почти идентично массе атома водорода.Что сделали Томсон и Милликен, так это доказали существование одной субструктуры атомов, электрона, и, кроме того, показали, что она имеет лишь крошечную часть массы атома. Ядро атома содержит большую часть его массы, и природа ядра была совершенно непредвиденной.

Начала проявляться и другая важная характеристика квантовой механики. Все электроны идентичны друг другу. Заряд и масса электронов не являются средними величинами; скорее, это уникальные значения, которые есть у всех электронов.Это верно и для других фундаментальных сущностей на субмикроскопическом уровне. Все протоны идентичны друг другу и так далее.

Этот месяц в истории физики

Резерфорд открыл атомное ядро ​​в 1911 году и наблюдал протон в 1919 году. Однако казалось, что помимо протонов в ядре должно быть что-то еще. Например, было известно, что гелий имеет атомный номер 2, но массовое число 4. Некоторые ученые думали, что в ядре есть дополнительные протоны, наряду с таким же количеством электронов, чтобы нейтрализовать дополнительный заряд.В 1920 году Резерфорд предположил, что электрон и протон действительно могут объединяться, образуя новую нейтральную частицу, но реальных доказательств этому не было, и предполагаемую нейтральную частицу было бы трудно обнаружить.

Чедвик продолжал работать над другими проектами, но продолжал думать о проблеме. Примерно в 1930 году несколько исследователей, в том числе немецкий физик Вальтер Боте и его ученик Беккер, начали бомбардировку бериллия альфа-частицами из источника полония и изучение излучения, испускаемого бериллием в результате.Некоторые ученые думали, что это высокопроникающее излучение, испускаемое бериллием, состоит из фотонов высокой энергии. Чедвик заметил некоторые странные особенности этого излучения и начал думать, что вместо этого оно может состоять из нейтральных частиц, подобных тем, которые предложил Резерфорд.

В частности, его внимание привлек один эксперимент: Фредерик и Ирен Жолио-Кюри изучали неизвестное тогда излучение бериллия при попадании на парафиновую мишень. Они обнаружили, что это излучение выбивает протоны из атомов водорода в этой мишени, и эти протоны отскакивают с очень высокой скоростью.

Жолио-Кюри считал, что излучение, поражающее парафиновую мишень, должно быть гамма-фотонами высокой энергии, но Чедвик считал, что это объяснение не подходит. Он рассуждал, что фотоны, не имеющие массы, не смогут выбить из мишени частицы, такие же тяжелые, как протоны. В 1932 году он сам провел аналогичные эксперименты и убедился, что излучение, испускаемое бериллием, на самом деле было нейтральной частицей с массой протона. Он также пробовал другие мишени в дополнение к парафину, в том числе гелий, азот и литий, которые помогли ему определить, что масса новой частицы была лишь немного больше, чем масса протона.

Чедвик также отметил, что, поскольку нейтроны не имеют заряда, они проникают в цель гораздо дальше, чем протоны.

В феврале 1932 г., после двухнедельных экспериментов, Чедвик опубликовал статью под названием «Возможное существование нейтрона», в которой он предположил, что данные свидетельствуют в пользу нейтрона, а не фотонов гамма-излучения как правильной интерпретации загадочного явления. излучение. Затем, несколько месяцев спустя, в мае 1932 года, Чедвик представил более конкретную статью под названием «Существование нейтрона».

К 1934 году было установлено, что недавно открытый нейтрон на самом деле был новой фундаментальной частицей, а не протоном и электроном, связанными вместе, как первоначально предполагал Резерфорд.

Открытие нейтрона быстро изменило взгляд ученых на атом, и Чедвик был удостоен Нобелевской премии в 1935 году за это открытие. Вскоре ученые поняли, что недавно открытый нейтрон как незаряженную, но довольно массивную частицу можно использовать для исследования других ядер. Ученым не потребовалось много времени, чтобы обнаружить, что попадание нейтронов в уран приводит к делению ядра урана и высвобождению невероятного количества энергии, что делает возможным создание ядерного оружия. Чедвик, чье открытие нейтрона проложило путь к созданию атомной бомбы, работал над Манхэттенским проектом во время Второй мировой войны. Он умер в 1974 году.

в этом месяце в физике История физики

мая 1911: Ratherford и открытие атомного ядра

Ernest Rutherford

в 1909 году, ученик Эрнеста Резерфорда неожиданные результаты эксперимента, который поручил ему Резерфорд. Резерфорд назвал это известие самым невероятным событием в своей жизни.

В широко известном эксперименте наблюдалось рассеяние альфа-частиц в обратном направлении от золотой фольги. Объяснение Резерфорда, которое он опубликовал в мае 1911 года, заключалось в том, что рассеяние было вызвано твердым плотным ядром в центре атома — ядром.

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в 1871 году, был одним из 12 детей. В детстве он часто помогал на семейной ферме, но хорошо учился и получил стипендию для обучения в Университете Новой Зеландии.После колледжа он выиграл стипендию в 1894 году, чтобы стать студентом-исследователем в Кембридже. Сообщается, что, получив известие об этой стипендии, Резерфорд сказал: «Это последняя картофелина, которую я когда-либо копал».

В Кембридже молодой Резерфорд работал в Кавендишской лаборатории с Дж.Дж. Томсон, первооткрыватель электрона. Талант Резерфорда был быстро признан, и в 1898 году он стал профессором Университета Макгилла в Монреале. Там он определил альфа- и бета-излучение как два отдельных типа излучения и изучил некоторые их свойства, хотя и не знал, что альфа-излучение — это ядра гелия.В 1901 году Резерфорд и химик Фредерик Содди обнаружили, что один радиоактивный элемент может распадаться на другой. Это открытие принесло Резерфорду Нобелевскую премию по химии 1908 года, что его несколько раздражало, поскольку он считал себя физиком, а не химиком. (Многие цитируют слова Резерфорда: «Вся наука — это либо физика, либо коллекционирование марок»)

В 1907 году Резерфорд вернулся в Англию, в Манчестерский университет. В 1909 году он и его коллега Ганс Гейгер искали исследовательский проект для студента Эрнеста Марсдена.Резерфорд уже изучал рассеяние альфа-частиц на золотой мишени, тщательно измеряя малые прямые углы, под которыми рассеивается большинство частиц. Резерфорд, который не хотел пренебрегать ни одним аспектом эксперимента, каким бы бесперспективным он ни был, предложил Марсдену посмотреть, действительно ли какие-либо альфа-частицы рассеиваются назад.

От Марсдена не ожидали, что он что-то найдет, но тем не менее он добросовестно и аккуратно провел эксперимент. Позже он писал, что чувствовал, что это была своего рода проверка его экспериментальных навыков.В ходе эксперимента альфа-частицы радиоактивного источника выстреливались в тонкую золотую фольгу. Любые рассеянные частицы попадут на экран, покрытый сульфидом цинка, который мерцает при попадании заряженных частиц. Марсден должен был сидеть в затемненной комнате, ждать, пока его глаза привыкнут к темноте, а затем терпеливо смотреть на экран, ожидая, что он вообще ничего не увидит.

Вместо этого Марсден увидел множество крошечных, мимолетных вспышек желтоватого света, в среднем более одной вспышки в секунду.

Он едва мог поверить в то, что увидел. Он проверял и перепроверял каждый аспект эксперимента, но, не обнаружив ничего неправильного, сообщил о результатах Резерфорду.

Резерфорд тоже был поражен. Как он любил говорить: «Это было так, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся бы и попал в вас». цель была рассеяна под углом более 90 градусов.Это не согласовывалось с преобладающей моделью атома, так называемой моделью сливового пудинга, разработанной Дж.Дж. Томсон. В этой модели считалось, что электроны застряли в комке положительно заряженного вещества, как изюм в пудинге. Но такое расположение вызвало бы рассеяние только под малыми углами, совсем не похожее на то, что наблюдал Марсден.

После более года размышлений над проблемой Резерфорд нашел ответ. Единственное объяснение, предложенное Резерфордом в 1911 году, заключалось в том, что альфа-частицы рассеиваются большим количеством положительного заряда, сконцентрированным в очень маленьком пространстве в центре атома золота.Резерфорд предположил, что электроны в атоме должны вращаться вокруг этого центрального ядра, как планеты вокруг Солнца.

Резерфорд провел довольно простой расчет, чтобы найти размер ядра, и обнаружил, что он составляет лишь около 1/100 000 размера атома. Атом был в основном пустым пространством.

В марте 1911 года Резерфорд объявил о своем удивительном открытии на собрании Манчестерского литературно-философского общества, а в мае 1911 года опубликовал статью о результатах в Philosophical Magazine .

Позже Резерфорд и Марсден попытались провести эксперимент с другими элементами в качестве мишени, а также измерили их ядра.

Модель солнечной системы не была принята сразу. Одна очевидная проблема заключалась в том, что, согласно уравнениям Максвелла, электроны, движущиеся по круговой орбите, должны излучать энергию, а потому замедляться и падать на ядро. Атом Солнечной системы не просуществовал бы долго.

К счастью, Нильсу Бору вскоре удалось спасти модель солнечной системы, применив новые идеи квантовой механики.Он показал, что атом мог бы остаться целым, если бы электронам было позволено занимать только определенные дискретные орбитали.

Хотя Резерфорд все еще не знал, что содержится в этом открытом им ядре (протоны и нейтроны будут идентифицированы позже), его открытие в 1911 году, которое опровергло преобладающую модель атома со сливовым пудингом, открыло путь для современной ядерной энергетики. физика.


Некоторые социальные последствия атомного открытия на JSTOR

Информация о журнале

Официальный флагманский журнал Американской социологической ассоциации (ASA), American Sociological Review (ASR), публикует работы, представляющие интерес для дисциплины в целом, новые теоретические разработки, результаты исследований, которые расширяют наше понимание фундаментальных социальных процессов, а также важные методологические инновации. Приветствуются все направления социологии. Акцент делается на исключительное качество и общий интерес. Публикуется раз в два месяца в феврале, апреле, июне, августе, октябре и декабре. Информация о подписках, размещении статей и расценках на рекламу: http://www.asanet.org/journals/asr/

Информация об издателе

Заявление о миссии Американской социологической ассоциации: Служение социологам в их работе Продвижение социологии как науки и профессии Продвижение вклада и использования социологии в обществе Американская социологическая ассоциация (АСА), основанная в 1905 году, является некоммерческой организацией. членская ассоциация, занимающаяся продвижением социологии как научной дисциплины и профессия, служащая общественному благу.ASA, насчитывающая более 13 200 членов, охватывает социологи, преподаватели колледжей и университетов, исследователи, практиков и студентов. Около 20 процентов членов работают в правительстве, бизнеса или некоммерческих организаций. Как национальная организация социологов, Американская социологическая ассоциация, через свой Исполнительный офис, имеет хорошие возможности для предоставления уникального набора услуги своим членам и способствовать жизнеспособности, видимости и разнообразию дисциплины.Работая на национальном и международном уровнях, Ассоциация направлен на формулирование политики и реализацию программ, которые, вероятно, будут иметь самый широкий возможное влияние на социологию сейчас и в будущем.

Discovery Education: атомная структура и элементы

Это задание было заблокировано 3 мая 2017 г. в 23:59.

Направления:

Используйте приведенный ниже ресурс, чтобы ответить на эти вопросы здесь, в Canvas.Вы можете ввести текст в поле ответа, используя правильные ответы с несколькими вариантами ответов для каждого вопроса. Чтобы ответить на вопросы, вам нужно будет просмотреть и прочитать весь контент в вашей технической книге Discovery Education Science: Atomic Structure and Elements. Вам нужно будет отметить его завершенным. Чтобы отметить это задание как выполненное, вам необходимо получить доступ к этому содержимому на вкладке «Задания для обнаружения».

 

1) Наименьшая часть элемента, сохраняющая свойства этого элемента:

А) протон

Б) молекула

C) атом

D) кварк

2) Чем отличаются протоны и нейтроны?

А) Протоны находятся в ядре атома, а нейтроны вращаются вокруг ядра

B) Нейтроны находятся в ядре атома, а протоны вращаются вокруг ядра

C) Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны – отрицательный

D) Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют заряда

3) Какое утверждение об электронах верно?

А) Электроны намного меньше протонов и нейтронов.

Б) Электроны находятся в ядре атома.

C) Электроны имеют положительный электрический заряд.

D) Электроны – самые большие субатомные частицы.

4) Почему медь является хорошим проводником электричества?

А) Атомы меди очень крепко удерживают свои электроны.

B) Электроны могут легко перемещаться между атомами меди.

C) Атомы меди связаны между собой в молекулы.

D) Атомы меди могут быстро течь по проводу.

5) Чем электроны отличаются от протонов и нейтронов?

А) Электроны больше, чем протоны и нейтроны.

B) Электроны не находятся в ядре атома.

C) Электроны не имеют электрического заряда.

D) Электроны имеют другой цвет, чем протоны и нейтроны.

6) Атом натрия может легко потерять электрон. Что происходит с этим электроном?

А) Преобразуется в тепловую энергию.

Б) Уничтожен.

C) Переносится на атом другого элемента.

D) Переносится на другой атом натрия.

7) Что из следующего правильно описывает важную характеристику элемента?

А) Элемент состоит из различных видов атомов, химически связанных друг с другом.

B) Элемент представляет собой смесь различных видов молекул.

C) Элемент состоит только из одного вида атомов.

D) Элемент – твердое органическое вещество.

8) Что из перечисленного состоит только из одного вида атомов и не может быть разбито на более простые вещества?

А) молекула

Б) соединение

С) элемент

Г) смесь

9) Калий имеет атомный номер 19 и массовое число 39. Сколько нейтронов содержится в ядре типичного атома калия?

А) 19

Б) 20

С) 39

Д) 58

10) Предположим, нейтральный атом потерял электрон.Что случилось бы с атомом?

A) Он станет отрицательно заряженным.

B) Он станет положительно заряженным.

C) Он останется нейтральным.

D) Он также потерял бы протон.

11) Типичный атом алюминия имеет 13 электронов и 14 нейтронов. Сколько протонов у атома?

А) 1

Б) 13

С) 14

Г) 27

12) Что лучше всего описывает движение электронов?

А) Электроны вращаются вокруг ядра.

B) Электроны движутся к ядру.

C) Электроны удаляются от ядра.

D) Электроны не двигаются

30.2 Открытие частей атома: электронов и ядер — College Physics

Точно так же, как атомы являются субструктурой материи, электроны и ядра являются субструктурами атома. Эксперименты, которые использовались для открытия электронов и ядер, раскрывают некоторые основные свойства атомов и могут быть легко поняты с помощью таких идей, как электростатическая и магнитная сила, которые уже обсуждались в предыдущих главах.

Заряды и электромагнитные силы

В предыдущих обсуждениях мы отмечали, что положительный заряд связан с ядрами, а отрицательный — с электронами. Мы также рассмотрели многие аспекты электрических и магнитных сил, влияющих на заряды. Теперь мы рассмотрим открытие электрона и ядра как субструктур атома и исследуем их вклад в свойства атомов.

Электрон

Газоразрядные трубки, такие как показанные на рисунке 30. 4, состоят из вакуумированной стеклянной трубки, содержащей два металлических электрода и разреженный газ. Когда на электроды подается высокое напряжение, газ светится. Эти лампы были предшественниками современных неоновых ламп. Впервые они были серьезно изучены Генрихом Гейсслером, немецким изобретателем и стеклодувом, начиная с 1860-х годов. Английский ученый Уильям Крукс среди прочих продолжал изучать то, что некоторое время называлось трубками Крукса, в которых электроны освобождаются от атомов и молекул в разреженном газе внутри трубки и ускоряются от катода (отрицательного) к аноду (положительного). ) высоким потенциалом.Эти « катодные лучи » сталкиваются с атомами и молекулами газа и возбуждают их, что приводит к испусканию электромагнитного (ЭМ) излучения, которое делает путь электронов видимым в виде луча, который распространяется и исчезает по мере удаления от катода.

Газоразрядные трубки сегодня чаще всего называют электронно-лучевыми трубками, потому что излучение исходит от катода. Крукс показал, что электроны обладают импульсом (они могут заставить вращаться маленькое гребное колесо). Он также обнаружил, что их обычно прямой путь изгибается магнитом в направлении, ожидаемом для отрицательного заряда, удаляющегося от катода.Это были первые прямые указания на электроны и их заряд.

Фигура 30,4 Газоразрядная трубка светится, когда на нее подается высокое напряжение. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду; они возбуждают атомы и молекулы газа, которые в ответ светятся. Когда-то они назывались трубками Гейсслера, а затем трубками Крукса, теперь они известны как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и используются в старых телевизорах, экранах компьютеров и рентгеновских аппаратах.При приложении магнитного поля луч изгибается в направлении, ожидаемом для отрицательного заряда. (кредит: Пол Дауни, Flickr)

Английский физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) усовершенствовал и расширил область экспериментов с газоразрядными трубками. (См. рис. 30.5 и рис. 30.6.) Он проверил отрицательный заряд катодных лучей как с магнитным, так и с электрическим полем. Кроме того, он собрал лучи в металлическую чашку и обнаружил избыток отрицательного заряда. Томсон также смог измерить отношение заряда электрона к его массе, qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {}{}/me/me size 12{m rSub { size 8{e } } } {} — важный шаг к нахождению фактических значений как qeqe, так и мема.На рис. 30.7 показана электронно-лучевая трубка, создающая узкий пучок электронов, проходящий через зарядные пластины, подключенные к высоковольтному источнику питания. Между зарядными пластинами создается электрическое поле ЕЕ величиной 12{Е} {}, а электронно-лучевая трубка помещается между полюсами магнита так, что электрическое поле ЕЕ величиной 12{Е} {} перпендикулярно магнитному поле BB размером 12{B}{} магнита. Эти поля, будучи перпендикулярными друг другу, производят на электроны противоположные силы.Как обсуждалось для масс-спектрометров в More Applications of Magnetism, если результирующая сила, вызванная полями, равна нулю, то скорость заряженной частицы равна v=E/Bv=E/B size 12{v=E/B} {} . Таким образом Томсон определял скорость электронов, а затем перемещал луч вверх и вниз, регулируя электрическое поле.

Фигура 30,5 Джей Джей Томсон (фото: www.firstworldwar.com, Wikimedia Commons)

Фигура 30.6 Схема ЭЛТ Томсона. (кредит: Курзон, Wikimedia Commons)

Фигура 30,7 На этой схеме показан электронный луч в ЭЛТ, проходящий через скрещенные электрические и магнитные поля и вызывающий свечение люминофора при попадании на конец трубки.

Чтобы увидеть, как величина отклонения используется для расчета qe/meqe/me size 12{q rSub { size 8{e} } /m rSub { size 8{e} } } {}, обратите внимание, что отклонение пропорционально электрическая сила на электроне:

F=дЭ.F=дЭ. размер 12{F=q rSub { размер 8{e} } E} {}

30,1

Но вертикальное отклонение также связано с массой электрона, так как ускорение электрона равно

a=Fme.a=Fme. размер 12{a= {{F} более {m rSub {размер 8{e} } } } } {}

30,2

Значение размера FF 12{F} {} неизвестно, так как qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {} еще не был известен. Подставляя выражение для электрической силы в выражение для ускорения, получаем

а=Fme=qeEme.а=Fme=qeEme. размер 12 {a = { {F} более {m rSub { размер 8 {e} } } } = { {q rSub { размер 8 {e} } E} более {m rSub { размер 8 {e} } } } ” .” } {}

30,3

Собираем условия, имеем

qeme=aE.qeme=aE. размер 12{ { {q rSub { размер 8 {e} } } более {m rSub { размер 8 {e} } } } = {{a} более {E} } } {}

30,4

Прогиб анализируется для получения размера 12{a} {}, а размер ЭЭ 12{E} {} определяется по приложенному напряжению и расстоянию между пластинами; таким образом, размер qemeqeme 12{ { {q rSub { размер 8 {e} } } над {m rSub { размер 8 {e} } } } } {} может быть определен.Зная скорость, другое измерение qemeqeme размера 12{ { {q rSub { size 8{e} } } над {m rSub { size 8{e} } } } } } {} можно получить, изогнув пучок электронов с магнитное поле. Поскольку Fmag=qevB=meaFmag=qevB=mea size 12{F rSub { size 8{“mag”} } =q rSub { size 8{e} } ital “vB”=m rSub { size 8{e} } a} {}, у нас есть qe/me=a/vBqe/me=a/vB size 12{q rSub { size 8{e}} /m rSub { size 8{e}} =a/ ital “vB”} {} . Стабильные результаты получаются при использовании магнитного отклонения.

Что такого важного в qe/meqe/me size 12{q rSub { size 8{e} } /m rSub { size 8{e} } } {}, отношении заряда электрона к его массе? Полученное значение равно

qeme=-1.76×1011 Кл/кг (электрон).qeme=-1,76×1011 Кл/кг (электрон). size 12{ { {q rSub { size 8{e} } } over {m rSub { size 8{e} } } } = – 1 “.” “76” умножить на “10” rSup {размер 8{“11”} } “Кл/кг”} {}

30,5

Это огромное число, как понял Томсон, и оно означает, что электрон имеет очень маленькую массу. Из гальваники было известно, что для нанесения покрытия на материал требуется около 108 Кл/кг108 Кл/кг размера 12{“10” rSup {размер 8{8}} “Кл/кг”} {}, что примерно в 1000 раз меньше, чем заряд на килограмм электронов.Томсон провел тот же эксперимент с положительно заряженными ионами водорода (теперь известно, что это голые протоны) и обнаружил, что заряд на килограмм примерно в 1000 раз меньше, чем у электрона, подразумевая, что протон примерно в 1000 раз массивнее электрона. . Сегодня мы знаем более точно, что

qpmp=9,58×107 Кл/кг (протон),qpmp=9,58×107 Кл/кг (протон), размер 12{ { {q rSub { размер 8{p} } } над {m rSub {размер 8{p} } } } =9 “.” “57” умножить на “10” rSup { размер 8{7} } ” C/кг”} {}

30.6

, где qpqp size 12{q rSub { size 8{p} } } {} — заряд протона, а mpmp size 12{m rSub { size 8{p} } } {} — его масса. Это отношение (до четырех значащих цифр) в 1836 раз меньше заряда на килограмм, чем у электрона. Поскольку заряды электронов и протонов равны по величине, отсюда следует, что mp=1836memp=1836me size 12{m rSub { size 8{p} } =”1836″m rSub { size 8{e} } } {} .

Томсон провел множество экспериментов, используя различные газы в разрядных трубках и используя другие методы, такие как фотоэлектрический эффект, для высвобождения электронов из атомов.Он всегда находил одни и те же свойства для электрона, доказывая, что это независимая частица. За свою работу, важные части которой он начал публиковать в 1897 году, Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года. Оглядываясь назад, трудно понять, насколько удивительно было обнаружить, что у атома есть субструктура. Сам Томсон сказал: «Только когда я убедился, что эксперимент не оставил мне выхода, я опубликовал свою веру в существование тел меньшего размера, чем атомы.

Томсон попытался измерить заряд отдельных электронов, но его метод смог определить его заряд только в ожидаемом порядке величины.

После экспериментов Фарадея с гальванопокрытием в 1830-х годах стало известно, что для осаждения однократно ионизированных ионов требуется около 100 000 Кл на моль. Разделив это на количество ионов на моль (то есть на число Авогадро), которое было приблизительно известно, заряд на ион был рассчитан примерно как 1,6×10-19 Кл.6×10−19 С размером 12{1″. 6 раз “10” rSup {размер 8{ – “19”} } “C”} {}, близко к фактическому значению.

Американский физик Роберт Милликен (1868–1953) (см. рис. 30.8) решил улучшить эксперимент Томсона по измерению размера qeqe 12{q rSub { size 8{e} } } {} и в конце концов был вынужден попробовать другой подход, который теперь является классическим экспериментом, проводимым студентами. Эксперимент Милликена с каплей масла показан на рис. 30.9.

Фигура 30,8 Роберт Милликен (кредит: неизвестный автор, Wikimedia Commons)

Фигура 30.9 Эксперимент Милликена с каплей масла дал первое точное прямое измерение заряда электронов, одной из самых фундаментальных констант в природе. Мелкие капли масла заряжаются при распылении. Их движение наблюдается между металлическими пластинами с потенциалом, противодействующим гравитационной силе. Баланс гравитационных и электрических сил позволяет рассчитать заряд капли. Установлено, что заряд квантуется в единицах −1,6×10−19C−1,6×10−19C, что напрямую определяет заряд избыточных и недостающих электронов на каплях масла.

В эксперименте Милликена с каплями масла мелкие капли масла распыляются из распылителя. Некоторые из них заряжаются в процессе и затем могут быть подвешены между металлическими пластинами за счет напряжения между пластинами. В этом случае вес капли уравновешивается электрической силой:

mdropg=qeEmdropg=qeE size 12{m rSub {size 8{“drop”}} g=q rSub {size 8{e}} E} {}

30,7

Электрическое поле создается приложенным напряжением, следовательно, размер E=V/dE=V/d 12{E=V/d} {}, а размер VV 12{V} {} отрегулирован так, чтобы просто сбалансировать масса. Капли можно рассматривать как точки отраженного света с помощью микроскопа, но они слишком малы, чтобы напрямую измерить их размер и массу. Массу капли определяют, наблюдая, как быстро она падает при отключении напряжения. Поскольку сопротивление воздуха очень велико для этих субмикроскопических капель, более массивные капли падают быстрее, чем менее массивные, и сложные расчеты седиментации могут выявить их массу. Вместо воды используется масло, потому что оно не испаряется, и поэтому масса почти постоянна.Как только масса капли известна, заряд электрона определяется перестановкой предыдущего уравнения:

. q=mdropgE=mdropgdV,q=mdropgE=mdropgdV, размер 12{q= {{m rSub {размер 8{“капля”} } g} над {E} } = {{m rSub {размер 8{“капля”} } ital “gd”} над {V} } ,} {}

30,8

, где dd размер 12{d} {} — расстояние между пластинами, а VV размер 12{V} {} — напряжение, удерживающее каплю неподвижно. (Одну и ту же каплю можно наблюдать в течение нескольких часов, чтобы убедиться, что она действительно неподвижна. ) К 1913 году Милликен измерил заряд электрона qeqe size 12{q rSub { size 8{e} } } {} с точностью до 1 %, и за несколько лет улучшил этот показатель в 10 раз, чтобы получить значение -1,60×10-19 С-1,60×10-19 С размер 12{ – 1 “.” “60” умножить на “10” rSup {размер 8{ – “19”} } “C”} {}. Он также заметил, что все заряды были кратны основному заряду электрона и что могли происходить внезапные изменения, при которых электроны добавлялись или удалялись из капель. За это очень фундаментальное прямое измерение размера qeqe 12{q rSub {size 8{e} } } {} и за исследования фотоэлектрического эффекта Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике 1923 года.

Зная заряд электрона и отношение заряда к массе, можно вычислить массу электрона. это

m=qeqeme.m=qeqeme. размер 12 {m = { {q rSub { размер 8 {e} } } над { слева ( { {q rSub { размер 8 {e} } } над {m rSub { размер 8 {e} } } } справа )} } “.” } {}

30,9

Замена известных значений дает

me=-1,60×10-19 C-1,76×1011C/кгme=-1,60×10-19C-1,76×1011C/кг размер 12{m rSub { размер 8{e} } = { { – 1 “. ” “60” раз “10” rSup {размер 8{-“19”}} “C”} больше {-1″.” “76” умножить на “10” rSup { size 8{“11”} } {C} косая черта {“kg”} } } } {}

30.10

или

me=9,11×10−31 кг (масса электрона),me=9,11×10−31 кг (масса электрона), размер 12{m rSub { размер 8{e} } =9 “.” “11” умножить на “10” rSup { размер 8{ – “31”} } ” кг”} {}

30.11

, где исправлены ошибки округления. Масса электрона была проверена во многих последующих экспериментах и ​​теперь известна с точностью лучше одной миллионной. Это невероятно малая масса, и она остается наименьшей из известных масс любой частицы, имеющей массу.(Некоторые частицы, такие как фотоны, не имеют массы и не могут быть остановлены, а движутся со скоростью света.) Подобные вычисления дают массы других частиц, включая протон. Теперь известно, что с точностью до трех цифр масса протона составляет

mp=1,67×10−27 кг (масса протона),mp=1,67×10−27 кг (масса протона), размер 12{m rSub { размер 8{ Р} } =1 “.” “67” умножить на “10” rSup { размер 8{ – “27”} } ” кг”} {}

30. 12

, что почти равно массе атома водорода.Что сделали Томсон и Милликен, так это доказали существование одной субструктуры атомов, электрона, и, кроме того, показали, что она имеет лишь крошечную часть массы атома. Ядро атома содержит большую часть его массы, и природа ядра была совершенно непредвиденной.

Начала проявляться и другая важная характеристика квантовой механики. Все электроны идентичны друг другу. Заряд и масса электронов не являются средними величинами; скорее, это уникальные значения, которые есть у всех электронов.Это верно и для других фундаментальных сущностей на субмикроскопическом уровне. Все протоны идентичны друг другу и так далее.

Ядро

Здесь мы исследуем первое прямое свидетельство размера и массы ядра. В последующих главах мы рассмотрим многие другие аспекты ядерной физики, но основная информация о размере и массе ядра настолько важна для понимания атома, что мы рассматриваем ее здесь.

Ядерная радиоактивность была открыта в 1896 году, и вскоре она стала предметом интенсивного изучения рядом лучших ученых мира. Среди них был новозеландец лорд Эрнест Резерфорд, сделавший множество фундаментальных открытий и заслуживший титул «отца ядерной физики». Родившийся в Нельсоне, Резерфорд учился в аспирантуре Кавендишских лабораторий в Англии, а затем занял должность в Университете Макгилла в Канаде, где он выполнил работу, которая принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1908 году. В области атомной и ядерной физики, между химией и физикой много общего, причем физика обеспечивает фундаментальные теории.Он вернулся в Англию в более поздние годы, и у него было шесть будущих лауреатов Нобелевской премии в качестве студентов. Резерфорд использовал ядерное излучение для непосредственного изучения размера и массы атомного ядра. Разработанный им эксперимент показан на рис. 30.10. Радиоактивный источник, испускающий альфа-излучение, был помещен в свинцовый контейнер с отверстием на одной стороне для получения пучка альфа-частиц, которые представляют собой тип ионизирующего излучения, испускаемого ядрами радиоактивного источника. В пучок помещали тонкую золотую фольгу и наблюдали за рассеянием альфа-частиц по свечению, которое они вызывали при попадании на люминофорный экран.

Фигура 30.10 Эксперимент Резерфорда дал прямые доказательства размера и массы ядра, рассеяв альфа-частицы на тонкой золотой фольге. Альфа-частицы с энергией около 5 МэВ5 МэВ размером 12{5″ МэВ”} {} испускаются радиоактивным источником (представляющим собой небольшой металлический контейнер, в котором запечатано определенное количество радиоактивного материала), коллимируются в пучок , и падают на фольгу. Количество частиц, которые проникают сквозь фольгу или разлетаются под разными углами, указывает на то, что ядра золота очень малы и содержат почти всю массу атома золота.На это особенно указывают альфа-частицы, которые рассеиваются под очень большими углами, как футбольный мяч, отскакивающий от головы вратаря. Было известно, что

альфа-частиц представляют собой двухзарядные положительные ядра атомов гелия, которые имеют кинетическую энергию порядка 5 МэВ5 МэВ размером 12{5″ МэВ”} {} при испускании в ядерном распаде, который представляет собой распад ядра нестабильный нуклид в результате спонтанного испускания заряженных частиц. Эти частицы взаимодействуют с веществом в основном посредством кулоновской силы, и то, как они рассеиваются от ядер, может указывать на размер и массу ядер.Это аналогично наблюдению за тем, как шар для боулинга рассеивается объектом, который вы не можете видеть напрямую. Поскольку энергия альфа-частицы настолько велика по сравнению с типичными энергиями, связанными с атомами (размер МэВмэВ 12{“МэВ”} {} против размера эВэВ 12{“эВ”} {}), можно было бы ожидать, что альфа-частицы просто прорвутся через тонкая фольга, похожая на сверхзвуковой шар для боулинга, врезалась бы в несколько десятков рядов кеглей. Томсон представил атом как небольшую сферу, в которой равномерно распределены равные количества положительного и отрицательного заряда.В такой модели падающие массивные альфа-частицы претерпели бы лишь небольшие отклонения. Вместо этого Резерфорд и его сотрудники обнаружили, что альфа-частицы иногда рассеиваются под большими углами, а некоторые даже возвращаются в том направлении, откуда они пришли! Детальный анализ с использованием закона сохранения импульса и энергии — особенно небольшого числа, которое сразу же вернулось — показал, что ядра золота очень малы по сравнению с размером атома золота, содержат почти всю массу атома и тесно связаны. Поскольку ядро ​​золота в несколько раз массивнее альфа-частицы, лобовое столкновение разбросает альфа-частицу прямо к источнику. Кроме того, чем меньше ядро, тем меньше альфа-частиц может столкнуться с ним лоб в лоб.

Хотя результаты эксперимента были опубликованы его коллегами в 1909 году, Резерфорду потребовалось два года, чтобы убедиться в их значении. Как и Томсон до него, Резерфорд не хотел принимать такие радикальные результаты. Природа в малых масштабах настолько не похожа на наш классический мир, что даже те, кто находится на переднем крае открытий, иногда удивляются.Позже Резерфорд писал: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся бы и попал в вас. Поразмыслив, я понял, что это рассеяние назад… [означало]… большая часть массы атома сосредоточена в крошечном ядре». В 1911 году Резерфорд опубликовал свой анализ вместе с предложенной моделью атома. Было определено, что размер ядра составляет около 10-15 м10-15 м размер 12{“10” rSup { размер 8{-“15”} } “м”} {}, или в 100 000 раз меньше атома. Это подразумевает огромную плотность, порядка 1015 г/см31015 г/см3 размер 12{“10” rSup { размер 8{“15″} } ” г/см” rSup { размер 8{3} } } {}, сильно отличается от любой макроскопической материи. Также подразумевается существование ранее неизвестных ядерных сил, противодействующих огромным кулоновским силам отталкивания положительных зарядов ядра. Огромные силы также согласовывались бы с большими энергиями, излучаемыми ядерным излучением.

Небольшой размер ядра также означает, что атом в основном пуст внутри.На самом деле в эксперименте Резерфорда большинство альфа-частиц проходило прямо через золотую фольгу с очень небольшим рассеянием, поскольку электроны имеют очень маленькую массу и поскольку атом был в основном пуст, и альфа-частицам не с чем было столкнуться. Намеки на это уже были в то время, когда Резерфорд проводил свои эксперименты, поскольку было замечено, что энергичные электроны проникают сквозь тонкую фольгу легче, чем ожидалось. На рис. 30.11 схематично показаны атомы в тонкой фольге с кружками, представляющими размер атомов (около 10–10 м10–10 м размер 12{“10” rSup { размер 8{ – “10”} } “м”} {}) и точки, обозначающие ядра. (Точки не в масштабе — если бы они были, вам понадобился бы микроскоп, чтобы их увидеть.) Большинство альфа-частиц не попадает в маленькие ядра и лишь слегка рассеиваются электронами. Иногда (примерно один раз из 8000 в эксперименте Резерфорда) альфа-частицы сталкиваются с ядром лоб в лоб и рассеиваются прямо назад.

Фигура 30.11 Расширенный вид атомов в золотой фольге в эксперименте Резерфорда. Кружки представляют собой атомы (около 10-10 м10-10 м размером 12{“10” rSup {размер 8{-“10”} } “м”} {} в диаметре), а точки представляют ядра (около 10- 15 м10−15 м размер 12{“10” rSup{ размер 8{ – “15”} } “м”} {} в диаметре).Чтобы быть видимыми, точки намного больше масштаба. Большинство альфа-частиц прорываются, но практически не подвергаются воздействию из-за их высокой энергии и малой массы электрона. Некоторые, однако, направляются прямо к ядру и рассеиваются прямо назад. Подробный анализ дает размер и массу ядра.

Основываясь на обнаруженных им в эксперименте размерах и массе ядра, а также массе электронов, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Планетарная модель атома изображает электроны с малой массой, вращающиеся вокруг ядра с большой массой.Размеры электронных орбит велики по сравнению с размером ядра, внутри атома в основном вакуум. Эта картина аналогична тому, как планеты с малой массой в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца с большой массой на расстояниях, больших по сравнению с размером Солнца. В атоме кулоновская сила притяжения аналогична гравитации в планетной системе. (См. рис. 30.12.) Обратите внимание, что для объяснения экспериментальных результатов необходима модель или мысленная картина, поскольку атом слишком мал, чтобы его можно было непосредственно наблюдать с помощью видимого света.

Фигура 30.12 Планетарная модель атома Резерфорда включает в себя характеристики ядра, электронов и размер атома. Эта модель была первой, которая признала структуру атомов, в которой маломассивные электроны вращаются вокруг очень маленького массивного ядра по орбитам, намного большим, чем ядро. Атом в основном пуст и аналогичен нашей планетной системе.

Планетарная модель атома Резерфорда имела решающее значение для понимания характеристик атомов, их взаимодействий и энергий, как мы увидим в следующих нескольких разделах.Кроме того, это было указанием на то, насколько природа отличается от знакомого классического мира в мелком квантово-механическом масштабе. Открытие субструктуры всей материи в форме атомов и молекул теперь сделало еще один шаг, чтобы открыть субструктуру атомов, которая была проще, чем 92 известных тогда элемента. Мы продолжали поиски более глубоких субструктур, таких как внутри ядра, с некоторым успехом. В следующих главах мы проследим за этим поиском, обсуждая кварки и другие элементарные частицы, и посмотрим, в каком направлении сейчас идут поиски.

Исследования ФЕТ

Резерфордское рассеяние

Как Резерфорд вычислил структуру атома, не имея возможности ее увидеть? Смоделируйте знаменитый эксперимент, в котором он опроверг модель атома сливового пудинга, наблюдая, как альфа-частицы отскакивают от атомов, и определяя, что у них должно быть маленькое ядро.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.