РУТХЕРФОРД-ОВ АТОМСКИ МОДЕЛ: ИСТОРИЈА, ЕКСПЕРИМЕНТИ, ПОСТУЛАТИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Радерфорд атомска Модел је опис атома створене од стране британског физичара Ернест Радерфорд (1871-1937) откривена 1911. године, када је атомска језгра од познатих расејања експеримената који се њихово име.

Идеја атома („недељивог“ на грчком) као најмањег саставног дела материје била је интелектуална творевина рођена у древној Грчкој, око 300. године пре нове ере. Попут многих грчких концепата, концепт атома развијен је на основу логика и аргументација, али не и експериментирање.

Рутхерфорд-ов атомски модел

Најистакнутији атомистички филозофи били су Демокрит Абдера (460. - 360. пр. Кр.), Епикур из Самоса (341 - 270 пне), и Тит Лукрециј (98 - 54 пне). Грци су замислили четири различита типа атома који су одговарали четири елемента који су према њима сачињавали материју: ваздух, вода, земља и ватра.

Касније би Аристотел додао пети елемент: етар који је формирао звезде, јер су остала четири елемента чисто земаљска.

Освајања Александра Великог, којему је Аристотел био учитељ, проширила су његова веровања на читав древни свет, од Шпаније до Индије и тако вековима, идеја о атому стварала је своје место у свету науке.

Атом више није недељив

Идеје грчких филозофа о структури материје биле су истините стотинама година, све док енглески хемичар и наставник у школи по имену Јохн Далтон (1776-1844) није објавио резултате својих експеримената 1808.

Далтон се сложио да елементи сачињавају изузетно мале честице, назване атоми. Али наставио је даље наводећи да су сви атоми истог елемента једнаки, да имају исту величину, исту масу и иста хемијска својства, због чега остају непромењени током хемијске реакције.

Ово је први научно заснован атомски модел. Као и Грци, и Далтон је атом сматрао недељивим, зато није имао структуре. Међутим, Далтонов гениј натјерао га је да поштује један од великих принципа очувања Физике:

• У хемијским реакцијама, атоми се не стварају нити уништавају, они само мењају своју дистрибуцију.

И установио је начин на који хемијска једињења стварају „једињења једињења“ (молекуле):

• Када се два или више атома различитих елемената комбинују да би формирали исто једињење, они то увек раде у дефинисаним и константним пропорцијама масе.

19. век је било велико век електричне енергије и магнетизма. Неколико година након објављивања Далтона, резултати неких експеримената стављају сумњу у научнике о недељивости атома.

Цроокес цијев

Цроокесова цијев била је направа коју је дизајнирао британски хемичар и метеоролог Виллиам Цроокес (1832-1919). Експеримент који је Цроокес спровео 1875. године састојао се од постављања, у цев напуњену гасом под ниским притиском, две електроде, једну која се назива катода, а другу која је названа анода.

Успостављањем разлике потенцијала између две електроде, гас је засијао бојом карактеристичном за коришћени гас. Ова чињеница сугерира да постоји одређена организација унутар атома и да зато није недељива.

Штавише, ово зрачење је произвело слабу флуоресценцију на зиду стаклене цеви испред катоде, одсијецајући сјену знака у облику крижа смјештеног унутар цијеви.

Било је то мистериозно зрачење познато под називом "катодне зраке", које су путовале правоцртно до аноде и биле високо енергичне, способне да производе механичке ефекте, и биле су усмерене према позитивно набијеној плочи или такође помоћу магнета.

Откривање електрона

Зрачење у Цроокесовој цеви није могло да буде талас, јер је носило негативан набој. Јосепх Јохн Тхомсон (1856 - 1940) нашао је одговор 1887. године када је пронашао однос између наелектрисања и масе овог зрачења и утврдио да је увек исти: 1,76 к 10 ¹¹ Ц / кг, без обзира на гас затворене у цев или материјала који се користи за прављење катоде.

Тхомсон је те честице назвао тијелима. Мерећи његову масу у односу на њен електрични набој, закључио је да је сваки труп био знатно мањи од атома. Стога им је сугерирао да и они буду дио њих, откривајући тако електрон.

Британски научник први је нацртао графички модел атома, цртајући сферу са убаченим тачкама, која је због свог облика добила надимак "пудинг од шљиве". Али ово откриће покренуло је и друга питања:

• Ако је материја неутрална, а електрон има негативан набој: где је у атому позитивни набој који неутралише електроне?
• Ако је маса електрона мања од масе атома, од чега се састоји остатак атома?
• Зашто су тако добивене честице увек биле електрони и никад друге врсте?

Рутхерфорд експерименти распршивања: атомско језгро и протони

До 1898. Рутхерфорд је идентификовао две врсте зрачења из уранијума, које је назвао алфа и бета.

Природну радиоактивност Марие Цурие већ је открила 1896. Алфа честице су позитивно наелектрисане и просто су хелијумске језгре, али у то време концепт језгра још није био познат. Рутхерфорд је требао то сазнати.

Један од експеримената који је Рутхерфорд извео 1911. на Универзитету у Манчестеру, уз асистенцију Ханса Гегера, састојао се од бомбардовања танке златне фолије са алфа честицама, чији је набој позитиван. Око златне фолије ставио је флуоресцентни екран који им је омогућио да визуализују ефекте бомбардовања.

Запажања

Проучавајући утицаје на флуоресцентни екран, Рутхерфорд и његови помоћници су приметили да:

1. Врло висок проценат алфа честица прошао је кроз лим без приметних одступања.
2. Неки су одступили под прилично стрмим углом
3. И врло мало њих је одбило све до назад

Рутхерфорд експерименти распршивања. Извор: .

Опсервације 2 и 3 изненадиле су истраживаче и навеле их да претпоставе да особа одговорна за распршивање зрака мора имати позитиван набој и да је захваљујући посматрању број 1 та одговорна особа била много мања од алфа честица. .

Сам Рутхерфорд је рекао да је то "… као да сте бацили 15-инчни морнарички пројектил на лист папира, а пројектил је одскочио и ударио вас". Топсонов модел дефинитивно није могао објаснити.

Анализирајући његове резултате са класичног становишта, Рутхерфорд је открио постојање атомског језгра у коме је концентрисан позитивни набој атома, што му је дало неутралност.

Рутхерфорд је наставио своје експерименте распршивања. До 1918. године нова мета алфа честица били су атоми азота.

На тај начин је открио језгре водоника и одмах је знао да једино место одакле та језгра могу доћи је из самог азота. Како је могуће да су језгра водоника део азота?

Рутхерфорд је тада сугерисао да језгро водоника, елемент који је већ добио атомски број 1, мора бити основна честица. Прво је назвао протон, грчка реч. Дакле, открића атомског језгра и протона настају захваљујући овом сјајном Новозеланђанину.

Рутхерфорд-ов атомски модел постулира

Нови модел се веома разликовао од Тхомпсоновог. То су били његови постулати:

• Атом садржи позитивно наелектрисано језгро, које упркос томе што је веома мало, садржи готово сву масу атома.
• Електрони круже око атомског језгра на великим даљинама и у кружним или елиптичним орбитама.
• Нето набој атома је нула, јер набоји електрона надокнађују позитивни набој присутан у језгру.

Рутхерфордове калкулације указале су на језгро сферичног облика и радијуса малог 10 ^-15 м, вредност атомског радијуса је око 100.000 пута већа, јер су језгра размјерно удаљена: реда ^10-10 м.

Млади Ернест Рутхерфорд. Извор: Непознато, објављено 1939. у Рутхерфорду: живот и писма часног часника Лорд Рутхерфорд, О. М

Ово објашњава зашто је већина алфа честица пролазила кроз плочу глатко или је имала врло мали одбој.

Гледано на скали свакодневних предмета, атом Рутхерфорда био би састављен од језгра величине бејзбола, док би атомски радијус био око 8 км, стога се атом може сматрати скоро свим као празан простор.

Захваљујући својој сличности са минијатурним соларним системом, постао је познат као "планетарни модел атома". Сила електростатичке привлачности између језгра и електрона била би аналогна гравитацијској привлачности између сунца и планета.

Ограничења

Међутим, постојала су одређена неслагања у вези са неким посматраним чињеницама:

• Ако се прихвати идеја да електрон кружи око језгра, дешава се да електрон непрекидно емитује радијацију све док се не судара са језгром, са последичним уништавањем атома за много мање од секунде. То се, срећом, заправо не догађа.
• Даље, атом у одређеним приликама емитује одређене фреквенције електромагнетног зрачења када постоје прелази између стања веће енергије у једно са нижом енергијом и само те фреквенције, не друге. Како објаснити чињеницу да се енергија квантизира?

Упркос тим ограничењима, пошто данас постоје много софистициранији модели у складу са запаженим чињеницама, Рутхерфорд-ов атомски модел је још увек користан да студент има први успешан приступ атому и његовим саставним честицама.

У овом моделу атома не појављује се неутрон, још један састојак језгре, који је откривен до 1932. године.

Убрзо након што је Рутхерфорд предложио свој планетарни модел, 1913. дански физичар Ниелс Бохр модификовао би га да објасни зашто атом није уништен, а ми смо још увек ту да испричамо ову причу.

Чланци од интереса

Сцхродингеров атомски модел.

Атомски модел Де Броглие.

Чадвиков атомски модел.

Хеисенбергов атомски модел.

Перинов атомски модел.

Тхомсон-ов атомски модел.

Атомски модел Дирац Јордан.

Атомски модел Демокрита.

Боров атомски модел.

Далтонов атомски модел.

Референце

1. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон. 618-621.
2. Запата, Ф. 2007. Белешке о класама за катедру за радиобиологију и радиолошку заштиту. Школа јавног здравља Централног универзитета у Венецуели.