Английский физик предложил модель строения атома. Модель атома Томсона: описание и опровержение. Планетарная модель Резерфорда

Cтраница 1

Первые модели атома было легко изобразить, но трудно описать.

Первая модель атома (Тсмсона) представляла атом в виде капли положительного электричества, в которой размещены электроны.

Первая модель атома, предложенная Дж. Томсоном в 1898 г., была основана на предположении, что атом - это положительно заряженный шар, в который внедряются электроны.

Первую модель атома предложил Кельвин (У. Томсон) в 1902 г. Согласно гипотезе Кельвина, атом представляет собой шар, по объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри шара находятся неподвижные электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атома.

Томсон предлагает первую модель атома, согласно которой положительный заряд равномерно заполняет весь объем атома, а отрицательный, представленный электронами, вкраплен в эту положительно заряженную сферу.

Бор на основе этих идей построил первую модель атома, к-рая представляла собой чисто внешнее соединение законов классич. Бор предположил, что существуют два различных типа состояний движения атома: стационарные состояния и переходы между ними. В стационарных состояниях электроны движутся вокруг ядра только по строго опред. Излучение происходит лишь при переходах (мгновенных перескоках) электрона с одной стационарной орбиты на другую, причем атом теряет (или поглощает) энергию, равную разности значений энергии стационарных состояний. Эти положения несовместимы с идеями классич.

В 1904 г. английский физик Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атом представляет собой положительно заряженный шар размером 10 - 8 см с взвешенными внутри него электронами.

Томсон (Thomson), Джозеф Джон (1856 - 1940) - английский физик, известен исследованиями в области электричества и магнетизма, открыл электрон (1897) и предложил одну из первых моделей атома; по своим философским взглядам - стихийный материалист.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. 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 см, внутри которого находится электрон.

Первые модели атома Эрнеста Резерфорда (1871 - 1937) напоминают схему солнечной системы. Попытки перенести эти представления на микроструктуру человека приводят к возникновению экспериментальной психологии, дифференциальной психологии, прикладной психологии и текстологии. Возникновение квантовой механики, связанное наряду с другими с именем Эрвина Шредингера (1887 - 1961), общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1879 - 1955) стимулировали новые шаги в философии, социологии и психологии.

После открытия электрона и появления первых моделей атомов был сделан ряд попыток объяснить валентность строением атомов.

Каждый любознательный человек теперь знает, что вокруг атомного ядра вращается ровно столько электронов, сколько протонов в ядре, и это число равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Вначале, когда Эрнст Резерфорд и Нильс Бор создавали первые модели атома, предполагалось, что электроны совершают свой бег группами по изначальным, раз навсегда положенным орбитам, имеющим вид концентрических колец или эллипсов - примерно так, как планеты движутся вокруг Солнца. Со временем эти неточные представления сменились более глубокими и близкими к истине, но и современные взгляды на электрон, его сущность и поведение не могут претендовать на законченность и абсолютную достоверность. Это только усовершенствованные гипотезы, более или менее хорошо согласующиеся с известными в настоящее время фактами; своеобразные и очень тонкие закономерности микрокосмоса различимы пока лишь в зыбких контурах.

Из того, что свет является частным видом электромагнитных волн, можно было заключить, что при испускании света электроны в атоме колеблются. Это представление, не подтвердившееся впоследствии, привело к созданию первой модели атома, первой наглядной картины его внутреннего строения.

Томсона пользовалась общим признанием. На почве этой первой модели атома было разработано учение о внутриатомных вибраторах, разъяснявшее сложный характер явлений дисперсии и поглощения света, возникло учение о поляризации атомов, был понят физический смысл диэлектрической постоянной, предсказано существование изотопов.

До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.

«Каждое новое открытие не является пределом, дальше которого идти нельзя, а наоборот, служит проспектом, ведущим в новые, еще не исследованные страны. И пока наука будет существовать, будет существовать великое множество великих проблем, исключая всякую опасность наступления когда-либо эпохи безработицы для физиков».

ДЖОЗЕФ ТОМСОН

Пудинг с изюмом

Причем здесь пудинг с изюмом?» - спросите вы. Немного терпения, и все станет ясно. Прошло шесть лет с того момента, как Томсон доказал существование мельчайшей отрицательно заряженной частицы электрона. За эти шесть лет было сделано много новых открытий о тайнах мира атомов. Все эти годы английский ученый Томсон внимательно следил за открытиями других физиков, думал, анализировал, сопоставлял.

Уже было неопровержимо доказано, что одна часть излучения, испускаемого ураном, торием, радием и другими радиоактивными элементами, состоит из электронов, тех самых электронов, которые открыл Томсон в 1897 г. Раз электроны вылетают из атомов, значит, они входят в состав атомов. Это было еще одно подтверждение сделанного Томсоном в 1897 г. вывода о том, что электроны входят в состав атома любого элемента, т. е. что атом представляет собой сложное образование.

Но электроны, как утверждал Томсон, не связаны неразрывно с атомом. При некоторых условиях они могут оторваться от него и существовать самостоятельно. Такие оторвавшиеся электроны, которые, в частности, имелись в газовых разрядах, и называются свободными электронами. Продолжая исследования строения атома, Томсон предложил

свою модель атома. Эта модель долгое время называлась моделью атома по Томсону. В чем же она заключалась?

Он предположил, что атом представляет собой облако материи, имеющей положительный заряд. Это облако имеет форму сферы, в которую вкраплены электроны. «Что- то вроде пудинга с изюмом», как сказал однажды Томсон, когда его спросили о строении атома. Сумма всех положительных зарядов равна сумме отрицательных, а в целом атом нейтрален. При этом электроны, как предполагал Томсон, расположены в атоме симметрично, но под действием внешних условий, например под действием электрического поля, они могут смещаться в сторону, колебаться около некоторого положения равновесия. Однако через несколько лет было доказано, что модель атома Томсона неправильна. Уже в то время, когда Томсон создавал свою модель, наблюдались явления, которые противоречили теории Томсона. Но все-таки, несмотря на свою неправильность, модель строения атома по Томсону сыграла важную роль в биографии атома.

Прежде всего Томсон впервые экспериментально доказал, что атом - это сложная система. Он разрушил многовековое представление об элементарности и о неразложимости атома. Большое значение также имело то, что модель Томсона с физической точки зрения объяснила периодическую систему элементов Менделеева, объяснила химические реакции. Томсон показал, что химические реакции происходят за счет электронов. Но мысль Томсона шла дальше. По своим воззрениям он был материалистом. Он считал, что процесс познания природы есть процесс бесконечный и что никогда не будет конца познаниям тайн атома.

В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока 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.

Дж.Томсон стремился найти модель, которая позволила бы объяснить все его известные свойства. Поскольку преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части, он принял, что атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда радиусом примерно 10–10 м, а на его поверхности находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться (рис. 4). Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд, так что атом электрически нейтрален. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Электроны находятся на сфере, но могут совершать простые гармонические колебания относительно положения равновесия. Такие колебания могут происходить лишь с определенными частотами, которым соответствуют узкие спектральные линии, наблюдающиеся в газоразрядных трубках. Электроны можно довольно легко выбить с их позиций, в результате чего возникают положительно заряженные «ионы», из которых состоят «каналовые лучи» в опытах с масс-спектрографом. X-лучи соответствуют очень высоким обертонам основных колебанийэлектронов. Альфа-частицы, возникающие при радиоактивных превращениях, – это часть положительной сферы, выбитая из нее в результате какого-то энергичного разрывания атома.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были открыты Резерфордом. В первую очередь следует отметить открытие ядерного строения атома.

Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома.

Резерфорд заметил, что быстродвижущиеся альфа-частицы способны проходить сквозь тонкую золотую фольгу, не оставляя видимых следов, но при этом слегка отклоняются. Возникло предположение, что атомы золота, твердые, непроницаемые, как "крошечные бильярдные шары" - как ранее считали ученые, - были мягкими внутри! Все выглядело так, будто меньшие и более твердые альфа-частицы могут проходить сквозь атомы золота как высокоскоростная пуля через желе.

В 1909-1911гг. Резерфорд применил зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 10 7 м/с, но она все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 2.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Но Резерфорд обнаружил, что некоторые α-частицы, проходя сквозь золотую фольгу, отклоняются очень сильно. Фактически некоторые вообще отлетают назад! Почувствовав, что за этим кроется нечто важное, ученый тщательно посчитал количество частиц, полетевших в каждом направлении. Затем путем сложного, но вполне убедительного математического анализа он показал единственный путь, которым можно было объяснить результаты экспериментов: атом золота состоял почти полностью из пустого пространства, а практически вся атомная масса была сконцентрирована в центре, в маленьком "ядре" атома!

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу возросла бы вn 2 раз. Следовательно, при достаточно большом значенииn α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвалатомным ядром . Так возниклаядерная модель атома. Рис. 3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рисунок 3.

Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержитвесьположительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, 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 (рис. 4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно, явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10 –8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Описание модели

С точки зрения Томсона:

…атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд…

Атом по Томсону состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий отрицательные заряды электронов, подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге ». Электроны, как предполагалось, были распределены по всему атому. Было несколько вариантов возможного расположения электронов внутри атома, в частности вращающиеся кольца электронов. В некоторых вариантах модели вместо «супа» предлагалось «облако» положительного заряда.

Согласно этой модели, электроны могли свободно вращаться в капле или облаке такой положительно заряженной субстанции. Их орбиты стабилизировались тем, что, при удалении электрона от центра положительно заряженного облака, он испытывал увеличение силы притяжения, возвращающей его обратно, поскольку внутри его орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи (по закону Гаусса). В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а спектры объясняли энергетические различия между различными кольцевыми орбитами.

Статья Томсона была опубликована в марте 1904 года в Философском журнале (Philosophical Magazine), ведущем британском научном журнале того времени. Томсон позднее пытался объяснить с помощью своей модели яркие спектральные линии некоторых элементов, но не особо в этом преуспел.

Тем не менее, модель Томсона (также как подобная модель сатурнианских колец для электронов атомов, которую выдвинул тоже в 1904 году Нагаока , по аналогии с моделью колец Сатурна Джеймса Клерка Максвелла) стала ранним предвестником более поздней и более успешной модели Бора , представляющей атом как подобие Солнечной системы.

Опровержение модели Томсона

Модель атома Томсона 1904 года была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-части на золотой фольге в 1909 году, который был проанализирован Эрнестом Резерфордом в 1911 году , предположившим, что в атоме есть очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд (в случае золота, достаточный, чтобы компенсировать заряд около 100 электронов), что привело к созданию планетарной модели атома Резерфорда. Хотя атомный номер золота равен 79, сразу же после появления статьи Резерфорда в 1911 году Антониус Ван ден Брук сделал интуитивное предположение, что атомный номер и является зарядом ядра. Для решения вопроса требовался эксперимент. В 1913 году Генри Мозли экспериментально показал (см. Закон Мозли), что эффективный заряд ядра очень близок к атомному номеру (разность, обнаруженная Мозли, была не больше единицы), причём Мозли ссылался только на работы Ван ден Брука и Резерфорда. Эта работа в итоге привела к созданию в том же году модели атома Бора, похожей на Солнечную систему (но с квантовыми ограничениями), в которой ядро, имеющее положительный заряд, равный атомному номеру, окружено равным числом электронов на орбитальных слоях.

С этой новой моделью Томсон отказался от своей более ранней гипотезы «туманного атома» (nebular atom), представлявшей атом состоящим из нематериальных вихрей. Теперь по крайней мере часть атома состояла из микроскопических отрицательно заряженных корпускул Томсона, хотя остальная положительно заряженная часть атома по-прежнему оставалась довольно туманной и плохо-определённой.
Модель Томсона сравнивали (но не он сам) с британским десертом, пудингом с изюмом , отсюда пошло название этой модели.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Модель атома Томсона" в других словарях:

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники … Википедия

Раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся… … Энциклопедия Кольера

Раздел физики, в котором изучают строение и состояние атомов. А. ф. возникла в конце 19 начале 20 вв. В 10 х гг. 20 в. было установлено, что атом состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего… … Большая советская энциклопедия

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Атом (значения). Атом гелия Атом (от др. греч … Википедия

Атом гелия Атом (др. греч. ἄτομος неделимый) наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и… … Википедия

История технологий По периодам и регионам: Неолитическая революция Древние технологии Египта Наука и технологии древней Индии Наука и технологии древнего Китая Технологии Древней Греции Технологии Древнего Рима Технологии исламского мира… … Википедия

- (1871 1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Родился в Новой Зеландии, после окончания… … Энциклопедический словарь

Первая модель строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1904 г., согласно которой атом – положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Несмотря на свое несовершенство томсоновская модель позволяла объяснить явления испускания, поглощения и рассеяния света атомами, а также установить число электронов в атомах легких элементов.

Рис. 1. Атом, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут легко «выбиваться» , оставляя ионизированный атом.

2.2 Модель Резерфорда

Модель Томсона была опровергнута Э. Резерфордом (1911 г.), который доказал, что положительный заряд и практически вся масса атома сконцентрированы в малой части его объема – ядре, вокруг которого двигаются электроны (рис. 2).

Рис. 2. Эта модель строения атома известна как планетарная, т. к. электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам солнечной системы.

Согласно законам классической электродинамики, движение электрона по окружности вокруг ядра будет устойчивым, если сила кулоновского притяжения будет равна центробежной силе. Однако, в соответствии с теорией электромагнитного поля, электроны в этом случае должны двигаться по спирали, непрерывно излучая энергию, и падать на ядро. Однако атом устойчив.

К тому же при непрерывном излучении энергии у атома должен наблюдаться непрерывный, сплошной спектр. На самом деле спектр атома состоит из отдельных линий и серий.

Таким образом, данная модель противоречит законам электродинамики и не объясняет линейчатого характера атомного спектра.

2.3. Модель Бора

В 1913 г. Н. Бор предложил свою теорию строения атома, не отрицая при этом полностью предыдущие представления. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Первый постулат говорит о том, что электрон может вращаться вокруг ядра только по определенным стационарным орбитам. Находясь на них, он не излучает и не поглощает энергию (рис.3).

Рис. 3. Модель строения атома Бора. Изменение состояния атома при переходе электрона с одной орбиты на другую.

При движении по любой стационарной орбите запас энергии электрона (Е 1, Е 2 …) остается постоянным. Чем ближе к ядру расположена орбита, тем меньше запас энергии электрона Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Энергия электрона на орбитах определяется уравнением:

где m – масса электрона, h – постоянная Планка, n – 1, 2, 3… (n=1 для 1-ой орбиты, n=2 для 2-ой и т.д.).

Второй постулат говорит о том, что при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или выделяет квант (порцию) энергии.

Если подвергнуть атомы воздействию (нагреванию, облучению и др.), то электрон может поглотить квант энергии и перейти на более удаленную от ядра орбиту (рис. 3). В этом случае говорят о возбужденном состоянии атома. При обратом переходе электрона (на более близкую к ядру орбиту) энергия выделяется в виде кванта лучистой энергии – фотона. В спектре это фиксируется определенной линией. На основании формулы

где λ – длина волны, n = квантовые числа, характеризующие ближнюю и дальнюю орбиты, Бор рассчитал длины волн для всех серий в спектре атома водорода. Полученные результаты соответствовали экспериментальным данным. Стало ясным происхождение прерывистых линейчатых спектров. Они – результат излучения энергии атомами при переходе электронов из возбужденного состояния в стационарное. Переходы электронов на 1-ю орбиту образуют группу частот серии Лаймана, на 2-ю – серию Бальмера, на 3-ю серию Пашена (рис. 4,табл. 1).

Рис. 4. Соответствие между электронными переходами и спектральными линиями атома водорода.

Таблица 1

Проверка формулы Бора для серий водородного спектра

Однако, теория Бора не смогла объяснить расщепление линий в спектрах многоэлектронных атомов. Бор исходил из того, что электрон – это частица, и использовал для описания электрона законы, характерные для частиц. Вместе с тем накапливались факты, свидетельствующие о том, что электрон способен проявлять и волновые свойства. Классическая механика оказалась не в состоянии объяснить движение микрообъектов, обладающих одновременно свойствами материальных частиц и свойствами волны. Эту задачу позволила решить квантовая механика – физическая теория, исследующая общие закономерности движения и взаимодействия микрочастиц, обладающих очень малой массой (табл. 2).

Таблица 2

Свойства элементарных частиц, образующих атом