Atomun ilk elektronik modelinin keşfinin önemi. Atomun yapısının modelleri

GİRİİŞ

Atomun karmaşık yapısının keşfi, modern fiziğin oluşumundaki en önemli aşamadır. Atomun yapısı hakkında ilk bilgiler, geçiş süreçleri incelenerek elde edildi. elektrik akımı sıvılar aracılığıyla. XIX yüzyılın otuzlu yıllarında. Olağanüstü fizikçi M. Faraday'ın deneyleri, elektriğin ayrı birim yükler şeklinde var olduğunu öne sürdü. Radyoaktivite adı verilen bazı elementlerin atomlarının kendiliğinden bozunmasının keşfi, atom yapısının karmaşıklığının doğrudan kanıtıydı. 1902'de İngiliz bilim adamları Ernest Rutherford ve Frederick Soddy, radyoaktif bozunma sırasında bir uranyum atomunun iki atoma dönüştüğünü kanıtladı - bir toryum atomu ve bir helyum atomu. Bu, atomların değişmez, yok edilemez parçacıklar olmadığı anlamına geliyordu.

Özetin amacı: Örnek olarak Ernest Rutherford ve Niels Bohr modellerini kullanarak atomların yapısı hakkındaki fikirlerin evrim sürecini yansıtmak.

Özetin amaçları: E. Rutherford ve N. Bohr tarafından ifade edilen atomların yapısı hakkındaki fikirleri incelemek, analiz etmek, genelleştirmek, modern fizik açısından en doğru varsayım hakkında sonuçlar çıkarmak.

pratik önemiÖzet, KSE üzerine derslerdeki öğrencileri atomun yapısı hakkında modern fikirler ve Rutherford ve Bohr'un bu konunun çalışmasına katkılarıyla tanıştırmaktır.

Çalışma sırasında kullandığımız Farklı çeşit kaynaklar: S. Kh. Karpenkov ve T.I.'nin ders kitapları. Trofimova, amaçlanan lise. içlerinde sade dilde atomun yapısı ile ilgili bilgilerin ortaya çıkış ve gelişim tarihini anlatır; İnternet kaynakları. Bu konuyu incelemek için kullanılan modern bilim. Bu yaklaşım, sorunu tüm çok yönlülüğüyle inceleme arzusundan kaynaklanmaktadır.

Bölüm 1. Thomson ve Rutherford'un atom yapısının modelleri

Atomların bölünmez en küçük madde parçacıkları olduğu fikri eski zamanlarda ortaya çıktı (Demokritos, Epicurus, Lucretius). Orta Çağ'da, materyalist olan atom doktrini tanınmadı. XVIII yüzyılın başlarında. atomistik teori giderek daha fazla popülerlik kazanıyor. Bu zamana kadar, Fransız kimyager A. Lavoisier'in (1743-1794), büyük Rus bilim adamı M.V. Lomonosov ve İngiliz kimyager ve fizikçi D. Dalton (1766-1844) atomların varlığının gerçekliğini kanıtladılar. Ancak bu sefer soru iç yapı Atomlar bölünmez olarak kabul edildiğinden, atomlar ortaya çıkmadı bile.

Olağanüstü bir Rus kimyager D.I. 1869'da ilk kez bilimsel bir temelde atomların birleşik doğası sorununun ortaya çıktığı periyodik elementler sistemini geliştiren Mendeleev. XIX yüzyılın ikinci yarısında. elektronun herhangi bir maddenin ana parçalarından biri olduğu deneysel olarak kanıtlandı. Bu sonuçlar ve çok sayıda deneysel veri, 20. yüzyılın başında olduğu gerçeğine yol açtı. atomun yapısı sorununu ciddi biçimde gündeme getirdi. Mendeleev'in periyodik sisteminde açıkça ifade edilen tüm kimyasal elementler arasında düzenli bir ilişkinin varlığı, tüm atomların yapısının aşağıdakilere dayandığı fikrini ortaya koymaktadır. ortak mülk: hepsi birbiriyle yakından ilişkilidir.

Atomların karmaşık yapısının ilk dolaylı doğrulaması, oldukça nadir gazlarda elektrik boşalmasından kaynaklanan katot ışınlarının incelenmesinde elde edildi. Bu ışınların özelliklerinin incelenmesi, bunların negatif bir ışık taşıyan küçük parçacıklar akışı olduğu sonucuna varmıştır. elektrik şarjı ve ışık hızına yakın bir hızda uçmak. Ek olarak, katot parçacıkları yalnızca yüklü halde bilinirler ve yüklerinden yoksun bırakılamazlar ve elektriksel olarak nötr parçacıklara dönüştürülemezler: elektrik yükü onların doğasının özüdür. Elektron adı verilen bu parçacıklar, 1897'de İngiliz fizikçi J. Thomson tarafından keşfedildi. Ayrıca 1903'te birikmiş deneysel verilere dayalı bir atom modeli oluşturma girişiminin de sahibidir. "Bu modele göre, bir atom, içinde elektronların denge konumları etrafında salındığı, yaklaşık 10-10 m yarıçaplı, sürekli olarak pozitif bir yükle yüklü bir küredir; Toplam negatif yük elektronlar pozitif yük top, yani atom bir bütün olarak nötrdür.

Atomun Thomson modeli (Ek A), atomun içinde pozitif yüklü parçacıkları varsaymıyordu. Peki, radyoaktif maddeler tarafından pozitif yüklü alfa parçacıklarının emisyonu nasıl açıklanır? Thomson'ın atom modeli diğer bazı soruları da yanıtlamadı.

1911'de İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, gazlardaki ve diğer maddelerdeki alfa parçacıklarının hareketini incelerken atomun pozitif yüklü kısmını keşfetti. Daha kapsamlı çalışmalar, paralel ışın demeti gaz veya ince katmanlardan geçtiğinde, metal tabak artık paralel ışınlar değil, biraz farklı ışınlar çıkıyor: alfa parçacıkları saçılıyor, yani orijinal yollarından sapıyorlar. Sapma açıları küçüktür, ancak her zaman çok güçlü bir şekilde sapan az sayıda (yaklaşık birkaç binde bir) parçacık vardır. Bazı parçacıklar, yolda aşılmaz bir bariyerle karşılaşılmış gibi geri atılır. Bunlar elektron değildir - kütleleri alfa parçacıklarının kütlesinden çok daha azdır. Çarpışma sırasında sapma meydana gelebilir pozitif parçacıklar, kütlesi alfa parçacıklarının kütlesi ile aynı sıradadır. Bu düşüncelere dayanarak, Rutherford atomun yapısının nükleer (gezegensel) bir modelini önerdi. (Ek B)

"Atomun merkezinde, etrafında elektronların farklı yörüngelerde döndüğü pozitif yüklü bir çekirdek bulunur. Dönmeleri sırasında ortaya çıkan merkezkaç kuvveti, çekirdek ve elektronlar arasındaki çekim ile dengelenir ve bunun sonucunda çekirdekten belirli mesafelerde kalırlar. Bir elektronun kütlesi ihmal edilebilir olduğundan, bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdeğinde yoğunlaşmıştır. Sayıları nispeten küçük olan çekirdek ve elektronlar, atomik sistemin kapladığı tüm uzayın yalnızca önemsiz bir bölümünü oluşturur.

Rutherford'un atomun yapısı için önerdiği şema veya genellikle dedikleri gibi atomun nükleer modeli, alfa parçacıklarının sapma fenomenini kolayca açıklar. Aslında, çekirdeğin ve elektronların boyutları, çekirdekten en uzaktaki elektronların yörüngeleri tarafından belirlenen tüm atomun boyutlarına kıyasla son derece küçüktür, böylece çoğu alfa parçacığı, fark edilir bir sapma olmadan atomların içinden geçer. Sadece alfa parçacığının çekirdeğe çok yaklaştığı durumlarda elektriksel itme, orijinal yolundan keskin bir şekilde sapmasına neden olur. Böylece, alfa parçacıklarının saçılmasının incelenmesi, atomun nükleer teorisinin başlangıcını işaret etti. Ancak, tutarlı akıl yürütmeye rağmen, Rutherford'un modeli atomların tüm özelliklerini açıklayamadı. Dolayısıyla, klasik fizik yasalarına göre, pozitif yüklü bir çekirdekten bir atom ve dairesel yörüngelerde dolaşan elektronlar elektromanyetik dalgalar yaymalıdır. “Elektromanyetik dalgaların emisyonu, marjda bir azalmaya yol açmalıdır. potansiyel enerjiçekirdek-elektron sisteminde, elektron yörüngesinin yarıçapında kademeli bir azalmaya ve elektronun çekirdeğe düşmesine. Ancak atomlar genellikle elektromanyetik dalgalar yaymazlar, elektronlar atom çekirdeğinin üzerine düşmez, yani atomlar kararlıdır.” Klasik fizik çerçevesinde bir atom modeli oluşturma girişimleri başarıya yol açmadı: Thomson modeli Rutherford'un deneyleri tarafından reddedilirken, nükleer modelin elektrodinamik olarak kararsız olduğu ve deneysel verilerle çeliştiği ortaya çıktı. Ortaya çıkan zorlukların üstesinden gelmek, niteliksel olarak yeni bir atom teorisinin yaratılmasını gerektiriyordu.

Bölüm 2. Bohr atomunun yapısının modeli.

1 Bohr'un varsayımları

Niteliksel olarak yeni bir atom kuantum teorisi inşa etmeye yönelik ilk girişim 1913'te yapıldı. Danimarkalı fizikçi Niels Bohr. Deneysel kalıpları tek bir bütün halinde birleştirme hedefini belirledi. çizgi spektrumları, Rutherford'un atomun nükleer modeli ve ışık emisyonu ve absorpsiyonunun kuantum doğası. Bohr, teorisini Rutherford'un nükleer modeline dayandırdı. Elektronların çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde hareket ettiğini öne sürdü. Dairesel hareket, sabit hızda bile ivmeye sahiptir. Bu tür hızlandırılmış yük hareketi eşdeğerdir alternatif akım uzayda alternatif bir elektromanyetik alan yaratan. Bu alanı oluşturmak için enerji tüketilir. Alan enerjisi, bir elektronun bir çekirdekle Coulomb etkileşiminin enerjisi nedeniyle oluşturulabilir. Sonuç olarak, elektron bir spiral içinde hareket etmeli ve çekirdeğe düşmelidir. Ancak deneyimler, atomların çok kararlı oluşumlar olduğunu göstermektedir. Bu, Maxwell denklemlerine dayanan klasik elektrodinamiğin sonuçlarının atom içi süreçlere uygulanamayacağı sonucunu ima eder. Yeni kalıpların bulunması gerekiyor. Bohr teorisini iki varsayıma dayandırdı.

Bohr'un ilk varsayımı (durağan durumların varsayımı): “atomda enerji yaymadığı durağan (zamanla değişmeyen) durumlar vardır. Bir atomun durağan durumları, elektronların hareket ettiği sabit yörüngelere karşılık gelir. Elektronların sabit yörüngelerdeki hareketine elektromanyetik dalgaların emisyonu eşlik etmez. Bir atomun durağan durumunda, dairesel bir yörünge boyunca hareket eden bir elektron, durumu karşılayan açısal momentumun ayrı kuantum değerlerine sahip olmalıdır:

mevrn = n? (n = 1, 2, 3,…)

nerede, me elektronun kütlesi, v onun boyunca hızıdır n. yörünge yarıçap rn, ? = h/(2? )».

Bohr'un ikinci varsayımı (frekans kuralı): “bir elektron sabit bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde, enerjisi olan bir foton yayılır (absorbe edilir)

karşılık gelen durağan durumların enerji farkına eşittir (En ve Em, sırasıyla, atomun radyasyon ve absorpsiyondan önceki ve sonraki durağan durumlarının enerjileridir). En > Em olduğunda, bir foton yayınlanır (bir atomun daha yüksek enerjili bir durumdan daha düşük enerjili bir duruma geçişi, yani bir elektronun çekirdekten daha uzak bir yörüngeden daha yakın bir yörüngeye geçişi) , En'de< Em - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход атома на более отдалённую от ядра орбиту)».

Bohr'un teorisi, hidrojenin deneysel olarak gözlemlenen çizgi spektrumunu zekice açıkladı. Ancak hidrojen atomu teorisinin başarısı, 200 yıldan fazla bir süredir koşulsuz olarak doğru kalan klasik mekaniğin temel hükümlerini terk etme pahasına elde edildi. Bu yüzden büyük önem Bohr'un varsayımlarının, özellikle de ilkinin - durağan durumların varlığına ilişkin geçerliliğinin doğrudan deneysel bir kanıtı vardı. İkinci varsayım, enerjinin korunumu yasasının ve fotonların varlığı hipotezinin bir sonucu olarak düşünülebilir.

Alman fizikçiler D. Frank ve G. Hertz, elektronların gaz atomlarıyla çarpışmasını potansiyel geciktirme yöntemiyle (1913) inceleyerek, durağan durumların varlığını ve atomların enerji değerlerinin ayrıklığını deneysel olarak doğruladılar.

Bohr'un kavramının, spektrumun nicel bir teorisini oluşturmanın mümkün olduğu ortaya çıkan hidrojen atomu ile ilgili şüphesiz başarısına rağmen, hidrojeni izleyen helyum atomu için benzer bir teori oluşturmak mümkün değildi. Bohr'un fikirleri. Helyum atomu ve daha karmaşık atomlarla ilgili olarak, Bohr'un teorisi yalnızca niteliksel (çok önemli olsa da) sonuçlar çıkarmayı mümkün kıldı. Bir Bohr atomunda bir elektronun hareket ettiği belirli yörüngeler fikrinin çok keyfi olduğu ortaya çıktı. Aslında, bir atomdaki elektronların hareketinin, yörüngelerdeki gezegenlerin hareketiyle çok az ortak noktası vardır.

Şu anda kullanıyor Kuantum mekaniği Herhangi bir elementin atomlarının yapısı ve özellikleri ile ilgili birçok soruya cevap vermek mümkündür.

2.2. Sabit yörüngeler ve enerji seviyeleri

Bohr'un varsayımlarına dayanarak, bir atomun durağan halleri aşağıdaki gibi görselleştirilebilir.

merkezcil ivme ?bir elektron bir daire boyunca hareket ettiğinde, Coulomb kuvveti Fe tarafından yaratılır. Sonuç olarak,

Bir hidrojen atomunda, nükleer yük yüke eşit e elektron, hidrojen atomu için şunu elde ederiz:

/r = e2/4?? 0mr2

v2 = e2/4?? 0mr

Nadir bulunan sabit dairesel yörüngelerin her biri boyunca hareket eden elektronun belirli bir marjı vardır. kinetik enerji elektrik alanındaki potansiyel enerjinin yanı sıra atom çekirdeği. Sayısı n olan durağan bir yörüngedeki bir elektronun kinetik enerjisinin toplamını ve bir elektronun bir atom çekirdeği ile etkileşiminin potansiyel enerjisini En ile gösterelim. Daha sonra bir atomdaki bir elektronun izin verilen her durağan yörüngesi, atomun durağan durumdaki enerjisinin değerine atanabilir. Atomların olası enerji durumlarının görsel bir temsili için enerji diyagramları kullanılır. (Ek B)

Bir enerji diyagramında, bir atomun her durağan durumu, enerji seviyesi adı verilen yatay bir çizgiyle işaretlenir. Diyagramdaki diğerlerinin altında, atomun temel durumunun E1 enerjisine karşılık gelen enerji seviyesi bulunur, uyarılmış durumların enerji seviyeleri, uyarılmış ve zemin enerjileri arasındaki farkla orantılı mesafelerde yer seviyesinin üzerinde bulunur. devletler. Bir atomun bir durumdan diğerine geçişleri, enerji diyagramında karşılık gelen seviyeler arasındaki dikey çizgilerle gösterilir, geçişin yönü bir okla gösterilir.

Bir elektronun m numaralı sabit bir yörüngeden n numaralı sabit bir yörüngeye geçişi, bir atomun Em enerjili bir durumdan En enerjili bir duruma geçişine karşılık gelir. Bu geçiş diyagramda enerji seviyeleri Em seviyesinden En seviyesine kadar dikey bir okla gösterilir. (Ek D)

2.3 Çizgi spektrumlarının kökeninin açıklaması

Bohr'un varsayımları, varlıklarını atomların ayrı bir dizi enerji durumunun mevcudiyeti ile ilişkilendirerek çizgi emisyon ve absorpsiyon spektrumlarının kökenini açıklamayı mümkün kılar.

Tüm atomlar bir kimyasal element aynı nükleer yüke sahiptir. saat aynı ücret Atom çekirdekleri aynı yapıya sahiptir elektron kabukları ve bu nedenle, aynı olası enerji durumlarına ve aralarındaki geçişlere sahiptir. Fotonların emisyonu ve absorpsiyonu, atomların izin verilen bir durağan durumdan diğerine geçişleri sırasında meydana gelir. E1 enerjili normal durumdan En enerjili uyarılmış duruma geçiş sırasında bir atom tarafından soğurulan bir fotonun enerjisi, ters geçiş sırasında atom tarafından yayılan fotonun enerjisine tam olarak eşittir, çünkü her iki durumda da atomun bu iki durumdaki enerjileri arasındaki farka eşittir:

2.4 Bohr teorisinin avantajları ve dezavantajları

Bohr'un teorisinin avantajları.

Bohr'un teorisi, atom içi süreçlerin açıklamasına temelde yeni konumlardan yaklaştı ve atomun ilk yarı kuantum teorisi oldu. Hidrojen benzeri atomların enerji durumlarının ayrıklığını açıkladı. Bohr'un teorisinin buluşsal değeri, durağan durumların ve bunlar arasındaki atlama geçişlerinin varlığının cesur varsayımında yatmaktadır. Bu hükümler daha sonra diğer mikro sistemlere genişletildi. Teori, periyodik tablonun sınırlarını açıklar. "Fiziksel olarak var olabilen son atomun atom numarası 137'dir, çünkü 138. elementten başlayarak, 1s-elektronu, özel görelilik teorisiyle çelişen süperluminal bir hızda hareket etmelidir."

Bohr Teorisinin Dezavantajları

Bohr'un teorisi mantıksal olarak tutarsızdır: ne klasik ne de kuantumdur. Altında yatan iki denklem sisteminde, biri - bir elektronun hareket denklemi - klasik, diğeri ise yörüngelerin kuantizasyon denklemi - kuantum. Ayrıca, yoğunluğu açıklayamadı. spektral çizgiler. Bu teori sadece hidrojen benzeri atomlar için geçerlidir ve deneysel veriler (iyonizasyon enerjisi veya diğerleri) olmadan periyodik tabloda onu takip eden atomlar için çalışmaz. Bohr'un teorisi yeterince tutarlı ve genel değildi. Bu nedenle, daha sonra, daha genel ve tutarlı başlangıç noktalarına dayanan modern kuantum mekaniği ile değiştirildi. Bohr'un varsayımlarının daha genel kuantum yasalarının sonuçları olduğu artık biliniyor. Ancak nicemleme kuralları günümüzde yaklaşık oranlar olarak yaygın olarak kullanılmaktadır: doğrulukları genellikle çok yüksektir.

Bu nedenle, Bohr'un teorisi gelişmede önemli bir adımdır. atom fiziği. Kuantum mekaniğinin yaratılmasında önemli bir adımdır. Bununla birlikte, bu teorinin birçok çelişkisi vardır (bir yandan klasik fizik yasalarını uygularken, diğer yandan kuantum postülalarına dayanmaktadır). Hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri sistemlerin spektrumlarını inceledi ve spektral çizgilerin frekanslarını hesapladı, ancak yoğunluklarını açıklayamadı ve soruyu cevaplayamadı: neden belirli geçişler meydana geliyor? Bohr'un teorisinin ciddi bir dezavantajı, spektrumu - helyum atomunu - hidrojen atomunu hemen takip eden en basit atomlardan birini tanımlamak için kullanmanın imkansızlığıydı.

yörünge radyasyonu bor enerjisi

Çözüm

Yirminci yüzyılda, N. Bohr'un teorisinin bazı hükümleri eklenmiş ve yeniden düşünülmüştür. En önemli değişiklik, yalnızca bir parçacık olarak elektron kavramının yerini alan bir elektron bulutu kavramının tanıtılmasıydı. Daha sonra Bohr'un teorisi değiştirildi. kuantum teorisi dikkate alan Albert Einstein, dalga özellikleri elektron ve diğerleri temel parçacıklar atomu oluşturan.

Atomun yapısının modern teorisinin temeli, tamamlanan ve geliştirilen gezegen modelidir. Bu teoriye göre, bir atomun çekirdeği protonlardan (pozitif yüklü parçacıklar) ve nöronlardan (yüksüz parçacıklar) oluşur. Ve çekirdeğin etrafında, elektronlar (negatif yüklü parçacıklar) belirsiz yörüngeler boyunca hareket eder.

Sırasında bu çalışma atomların yapısı hakkındaki fikirlerin evrim süreci, Ernest Rutherford ve Niels Bohr'un modellerinin örneğine yansıdı. Rutherford ve Bohr tarafından ifade edilen atomların yapısı hakkında tamamen çalışılmış, analiz edilmiş ve genelleştirilmiş fikirler. Modern fizik açısından, atomun yapısı hakkında en doğru varsayım Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr tarafından yapılmıştır.

KSE ile ilgili derslerden birinde, öğrencilere atomun yapısı ve Rutherford ve Bohr'un bu konunun araştırılmasına katkısı hakkındaki modern fikirler tanıtılacaktır.

bibliyografik liste

1. Karpenkov, S. Kh. Modern doğa bilimi kavramları: Atölye: çalışma kılavuzu / S. Kh. Karpenkov. - M.: Kültür ve spor, 1998. - 237s.

Trofimova, T.I. Fizik kursu: ders kitabı / T. I. Trofimova - M.: Yüksek Okul, 1990. - 478s.

UYGULAMALAR

EK A

Madde 1.1. Thomson'ın atom yapısı modeli ("kuru üzümlü kek")

EK B

P. 2.1 Rutherford atomunun yapısının modeli (nükleer)

EK B

Madde 3.1. Bohr enerji diyagramı

EK D

S. 4.1 Bohr atomunun yapısının modeli (gezegensel)

İş emri

Uzmanlarımız, Anti-intihal sisteminde benzersizlik için zorunlu bir kontrol içeren bir makale yazmanıza yardımcı olacaktır.
Başvuru yapmak Gereksinimleri ile şu anda maliyet ve yazma olasılığını öğrenmek için.

Atomun yapısının ilk modeli, 1904'te J. Thomson tarafından, atomun içine gömülü elektronlarla pozitif yüklü bir küre olduğu önerildi. Eksikliğine rağmen, Thomson modeli, ışığın atomlar tarafından yayılması, emilmesi ve saçılması fenomenlerini açıklamanın yanı sıra hafif elementlerin atomlarındaki elektron sayısını belirlemeyi mümkün kıldı.

Pirinç. 1. Atom, Thomson modeline göre. Elektronlar, elastik kuvvetler tarafından pozitif yüklü bir küre içinde tutulur. Yüzeyde olanlar, iyonize bir atom bırakarak kolayca "dökülebilir".

2.2 Rutherford modeli

Thomson'ın modeli, bir atomun pozitif yükünün ve neredeyse tüm kütlesinin hacminin küçük bir bölümünde - elektronların etrafında hareket ettiği çekirdekte - yoğunlaştığını kanıtlayan E. Rutherford (1911) tarafından çürütüldü (Şekil 2).

Pirinç. 2. Atomun yapısının bu modeli gezegensel olarak bilinir, çünkü elektronlar güneş sistemindeki gezegenler gibi çekirdeğin etrafında döner.

Klasik elektrodinamiğin yasalarına göre, Coulomb çekim kuvveti merkezkaç kuvvetine eşitse, çekirdeğin etrafındaki bir daire içindeki bir elektronun hareketi kararlı olacaktır. Bununla birlikte, elektromanyetik alan teorisine göre, bu durumda elektronlar, sürekli olarak enerji yayan bir spiral içinde hareket etmeli ve çekirdeğe düşmelidir. Ancak atom kararlıdır.

Ek olarak, sürekli enerji radyasyonu ile bir atomun sürekli, sürekli spektrum. Aslında, bir atomun spektrumu tek tek çizgilerden ve dizilerden oluşur.

Bu nedenle, bu model elektrodinamik yasalarıyla çelişir ve atomik spektrumun çizgi yapısını açıklamaz.

2.3. Bohr modeli

1913'te N. Bohr, önceki fikirleri tamamen reddetmeden atomun yapısı teorisini önerdi. Bohr teorisini iki varsayıma dayandırdı.

İlk varsayım, elektronun çekirdeğin etrafında yalnızca belirli sabit yörüngelerde dönebileceğini söylüyor. Üzerinde oldukları için enerji yaymaz veya emmez (Şekil 3).

Pirinç. 3. Bohr atomunun yapısının modeli. Bir elektron bir yörüngeden diğerine geçerken atomun durumundaki değişiklik.

Herhangi bir sabit yörünge boyunca hareket ederken, bir elektronun enerji kaynağı (E 1, E 2 ...) sabit kalır. Yörünge çekirdeğe ne kadar yakınsa, elektron enerji rezervi o kadar düşük olur Е 1 ˂ Е 2 …˂ Е n . Bir elektronun yörüngedeki enerjisi şu denklemle belirlenir:

burada m elektron kütlesidir, h Planck sabitidir, n 1, 2, 3'tür… (1. yörünge için n=1, 2. yörünge için n=2, vb.).

İkinci varsayım, bir yörüngeden diğerine hareket ederken, bir elektronun bir kuantum (kısım) enerjiyi emdiğini veya serbest bıraktığını söylüyor.

Atomlar etkiye (ısıtma, radyasyon, vb.) maruz kalırsa, o zaman bir elektron bir enerji kuantumunu emebilir ve çekirdekten daha uzak bir yörüngeye hareket edebilir (Şekil 3). Bu durumda atomun uyarılmış bir durumundan söz edilir. Bir elektronun (çekirdeğe daha yakın bir yörüngeye) ters geçişi sırasında, enerji bir kuantum radyan enerji - bir foton şeklinde salınır. Spektrumda bu, belirli bir çizgi ile sabitlenir. Formüle dayalı

burada λ dalga boyu, n = yakın ve uzak yörüngeleri karakterize eden kuantum sayıları, Bohr hidrojen atomunun spektrumundaki tüm seriler için dalga boylarını hesapladı. Elde edilen sonuçlar deneysel verilerle tutarlıydı. Süreksiz çizgi spektrumlarının kökeni netleşti. Elektronların uyarılmış bir durumdan durağan bir duruma geçişi sırasında atomlar tarafından enerji emisyonunun sonucudur. Elektronların 1. yörüngeye geçişleri, Lyman serisinin bir grup frekansını, 2. - Balmer serisini, 3. Paschen serisini oluşturur (Şekil 4, Tablo 1).

Pirinç. 4. Hidrojen atomunun elektronik geçişleri ile spektral çizgileri arasındaki yazışmalar.

tablo 1

Hidrojen spektrumu serisi için Bohr formülünün doğrulanması

Bununla birlikte, Bohr'un teorisi, çok elektronlu atomların spektrumlarındaki çizgilerin bölünmesini açıklayamadı. Bohr, elektronun bir parçacık olduğu gerçeğinden yola çıktı ve elektronu tanımlamak için parçacıkların karakteristik yasalarını kullandı. Aynı zamanda, elektronun da dalga özellikleri sergileyebildiğine tanıklık eden gerçekler birikiyordu. Klasik mekanik, aynı anda hem maddi parçacıkların hem de bir dalganın özelliklerine sahip olan mikro nesnelerin hareketini açıklayamadı. Bu problem, çok küçük bir kütle ile mikropartiküllerin genel hareket modellerini ve etkileşimini inceleyen bir fiziksel teori olan kuantum mekaniği ile çözüldü (Tablo 2).

Tablo 2

Atomu oluşturan temel parçacıkların özellikleri

S.I. LEVÇENKOV
KİMYA TARİHİNİN KISA ANAHTARI

öğretici Rusya Devlet Üniversitesi Kimya Fakültesi öğrencileri için

"Bölünemez" in bölünebilirliği

Doğa bilimlerine egemen olan mekanik atomculuğun sonunu işaret eden atomun bölünebilirliğinin keşfi, 20. yüzyılın başında gerçekleşti. Bu keşfin oldukça uzun bir geçmişi var. 1870'lerde, kimyasal elementlerin periyodik yasasının yaratılmasından sonra, William Prout'un hipotezine olan ilgi, doğa bilimcileri arasında yeniden canlandı (bkz. Bölüm IV). Atom ağırlıklarının en kesin tanımları, bazı durumlarda tamsayı olmayan sayılarının deneysel hatalarla açıklanamayacağını gösterse de, protil- atomun bazı basit bileşenleri tekrar aktif olarak tartışılmaya başlandı. Yıldızların spektrumlarını inceleyen ve esas olarak hidrojenden oluştuğunu gösteren İngiliz astrofizikçi Joseph Norman Lockyer, 1873 yılında elementlerin evrimi fikrini ortaya attı. Spektral analiz alanında önde gelen bir uzman olan İngiliz fizikçi William Crookes tarafından 1886'da yazılan "Kimyasal Elementlerin Kökeni Üzerine" kitabı yaygın olarak biliniyordu. Crookes, tüm elementlerin görünüşe göre hidrojen olan protilden geldiğine inanıyordu. "...evrim yoluyla, tıpkı bizim üyelerimiz gibi Güneş Sistemi Laplace'ın teorisine ve gezegenimizin bitki ve hayvanlarının nasıl ortaya çıktığına göre - Lamarck, Darwin ve Wallace'a göre". Bununla birlikte, elementlerin evrimi hipotezinin, bu hipotezin hiçbir deneysel temeli olmadığını belirten birçok muhalifi vardı.

Atomun bölünebilirliğini belirlemenin temel deneysel ön koşulu, 19. yüzyıl boyunca fizikçiler tarafından yürütülen elektrik akımı çalışmasıydı. 1874'te İrlandalı fizikçi George Johnston Stoney, elektriğin aşağıdakilerden oluştuğu fikrini önerdi. temel ücretler atomlarla ilişkilendirildi ve bunun değerini hesapladı temel ücret; 1891'de Stoney bunun için bir terim önerdi. elektron.

dolandırıcı tüp

1859'da Alman fizikçi Julius Plücker tarafından başlayan, nadir gazlarda ve vakumda elektrik boşalması çalışmaları, Wilhelm Gittorf ve William Crookes'un 1869-1875'te keşfetmesine yol açtı. görünmez katot ışınları katottan anoda vakumda yayılır. Doğrusal olarak yayılan ve anot çevresinde camın floresansına (parlama) neden olan katot ışınlarının doğası uzun süre bilinmezliğini korudu; Alman fizikçiler dalga doğasını kabul ettiler, İngiliz fizikçiler katot ışınlarının parçacık doğasını varsaydılar. 1886'da Alman fizikçi Eugen Goldstein, ızgaralı bir katotla deneyler yaparken, katoda zıt olarak yayılan kanal ışınlarını keşfetti; Kanal ışınlarının pozitif yüklü parçacıklardan oluştuğu varsayıldı.

Bohr'un modeli, kuantum hipotezi 1900 yılında Alman fizikçi Max Karl Ernst Ludwig Planck tarafından ileri sürülmüştür. Planck, maddenin yalnızca bu radyasyonun frekansıyla orantılı olarak sonlu kısımlarda radyasyon enerjisi yayabileceğini öne sürdü. Fotoelektrik etkiyi açıklamak için kuantum hipotezini uygulayan Albert Einstein, 1905'te foton teorisi Sveta.

Atomun Bohr modeli için bir başka ön koşul, 1885'te İsviçreli bilim adamı Johann Jacob Balmer, 1906'da Amerikalı fizikçi Theodor Lyman ve 1909'da Alman fizikçi Friedrich Paschen tarafından keşfedilen bir dizi spektral hidrojen çizgisiydi. Bu seriler (spektrumun görünür, morötesi ve kızılötesi bölgelerinde) çok basit bir model izledi: frekanslar, tam sayıların ters karelerindeki farkla orantılıydı.

Bohr, atomun gezegensel modelinin kararlılığını ve aynı zamanda bu spektral verileri kuantum teorisi açısından açıkladı ve atom modeline kuantum kısıtlamaları getiren bir dizi varsayımı formüle etti. Bohr'un postülalarına göre, bir elektron, çekirdeğin etrafında yalnızca belirli izin verilen ("sabit") yörüngeler boyunca dönebilir ve bu yörüngeler üzerinde enerji yaymaz. Çekirdeğe en yakın yörünge, atomun "normal" (en kararlı) durumuna karşılık gelir. Bir atoma bir kuantum enerji iletildiğinde, elektron daha uzak bir yörüngeye hareket eder. "Uyarılmış" durumdan "normal" duruma ters geçişe, bir radyasyon kuantumunun emisyonu eşlik eder.

Spektral verilere dayalı hesaplamanın gösterdiği gibi, elektron yörüngelerinin yarıçapları 1 2: 2 2: 3 2: ... : n 2 olarak ilişkilidir. Başka bir deyişle, dönen bir elektronun açısal momentumu tamsayı ile orantılıdır. Ana kuantum sayısı(yörünge numarası).

Her seviyedeki mümkün olan maksimum elektron sayısı, temel kuantum sayısının karesinin iki katıdır; bu sayı periyodik tablonun periyotlarındaki elementlerin sayısına eşit çıktı. Böylece Bohr'un modeli, elementlerin özelliklerinin periyodikliği ile atomların elektron kabuklarının yapısı arasındaki şüphesiz bağlantıyı ortaya çıkardı.

Klasik ve kuantum kavramları arasında bir uzlaşma olan atomun Bohr-Sommerfeld modeline dayanarak (klasik resme kuantum kısıtlamaları getirildi), 1921'de Niels Bohr, periyodik sistemin biçimsel teorisinin temellerini attı. Bohr'a göre elementlerin özelliklerinin periyodikliğinin nedeni, atomun dış elektronik seviyesinin yapısının periyodik olarak tekrarlanmasıydı.

1920'lerin ilk yarısında. atom modeline iki kuantum sayısı daha eklendi. Alman fizikçi Alfred Lande, bir atomdaki bir elektronun hareketini tanımlamak için manyetik kuvveti tanıttı. kuantum sayısı ve genç fizikçiler George Eugene Uhlenbeck ve Samuel Abraham Goudsmit 1925 yılında elektron spin kavramını atom fiziğine soktular. , Otto Stern ve Walter Gerlach, bir manyetik alandaki gümüş atom demetini deneysel olarak elektron dönüşlerinin yönüne karşılık gelen iki parçaya ayırdılar.

Atomun yapısının ilk modelleri 20. yüzyılın başlarında ortaya çıkıyor. 1901'de Jean Perrin, atomun nükleer-gezegensel bir yapısını önerdi. Benzer bir model 1904'te Japon fizikçi Hantaro Nagaoka tarafından önerildi. Nagaoka modelinde atom, Satürn gezegenine benzetiliyordu; gezegenin rolü, atom hacminin ana parçası olan pozitif yüklü bir top tarafından oynandı ve elektronlar, halkalarını oluşturan Satürn'ün uyduları gibi yerleştirildi. Ancak, en geniş kullanım sözde aldı. kek atom modeli: 1902'de William Thomson (Lord Kelvin), atomun, içinde elektronların eşit olarak dağıldığı bir grup pozitif yüklü madde olduğunu öne sürdü. En basit atom - hidrojen atomu - W. Thomson'a göre, merkezinde bir elektron bulunan pozitif yüklü bir topdu. Bu model, pozitif yüklü bir topun içindeki elektronların aynı düzlemde yer aldığına ve eşmerkezli halkalar oluşturduğuna inanan J. J. Thomson tarafından ayrıntılı olarak geliştirilmiştir. J. J. Thomson, saçılmaya dayalı olarak bir atomdaki elektron sayısını belirlemek için bir yöntem önerdi. röntgen, saçılma merkezleri olması gereken elektronlar olduğu varsayımına dayanarak. Yapılan deneyler, elementlerin atomlarındaki elektron sayısının yaklaşık olarak değerin yarısı kadar olduğunu göstermiştir. atom kütlesi. J. J. Thomson, elementten elemente geçişte bir atomdaki elektron sayısının sürekli arttığını varsayarak, ilk kez atomların yapısını elementlerin özelliklerinin periyodikliği ile ilişkilendirmeye çalışmıştır.

Alman fizikçi Philipp von Lenard, atomda zıt yüklerin ayrı ayrı varlığını ima etmeyen bir model oluşturmaya çalıştı. Lenard modeline göre atom, nötr parçacıklardan (sözde dinamit), her biri bir elektrik ikilisidir. Lenard tarafından yapılan hesaplamalar, bu parçacıkların son derece küçük boyutlara sahip olması gerektiğini ve sonuç olarak atom hacminin çoğunun boşluk olduğunu gösterdi. Bir atomun kütlesinin hacminin küçük bir bölümündeki konsantrasyonu, Lenard tarafından 1903'te gerçekleştirilen ve hızlı elektron demetinin ince bir metal folyodan kolayca geçtiği deneylerle kısmen doğrulandı.

Bahsedilen tüm modeller - Thomson-Thomson, Perrin-Nagaoka ve Lenard tamamen varsayımsaldı ve olağanüstü kalitedeydi.

1906-1909'da. Thomson modelinin deneysel doğrulamasını bulmaya çalışan Hans Geiger, Ernst Marsden ve Ernest Rutherford, altın folyo üzerinde α-parçacıklarının saçılması üzerine ünlü deneylerini gerçekleştirdiler. Elektronlar yerine α-parçacıkları kullandılar, çünkü daha büyük kütleleri (bir elektronun kütlesinin 7350 katı) nedeniyle, a-parçacıkları elektronlarla çarpışırken fark edilir bir sapmaya uğramazlar, bu da atomun yalnızca pozitif kısmı ile çarpışmaların kaydedilmesini mümkün kılar. Alfa parçacıklarının kaynağı olarak radyumu aldılar ve ince bir altın folyoya saçılan parçacıklar, karanlık bir odaya yerleştirilmiş bir çinko sülfür ekran üzerinde parıldama flaşlarıyla kaydedildi.

Deneylerin sonucu, beklenenin tamamen tersi çıktı. α-parçacıklarının çoğu, altın folyodan düz veya neredeyse düz yörüngelerde geçti, ancak aynı zamanda, bazı α-parçacıkları, atomda son derece yoğun pozitif yüklü bir oluşumun varlığını gösteren çok geniş açılarda saptı. Bu deneysel gerçeklere dayanarak, 1911'de Rutherford, atomun nükleer modelini önerdi: atomun merkezinde, hacmi atomun boyutuna kıyasla ihmal edilebilir olan pozitif yüklü bir çekirdek vardır; Elektronlar, sayısı yaklaşık olarak elementin atom kütlesinin yarısına eşit olan çekirdeğin etrafında döner. Rutherford'un atom modeli, şüphesiz değerleri ile önemli bir çelişki içeriyordu: klasik elektrodinamik yasalarına göre, çekirdeğin etrafında dönen bir elektronun sürekli olarak yayması gerekiyordu. Elektromanyetik radyasyon, enerji kaybetmek. Sonuç olarak, elektronun yörüngesinin yarıçapı hızla azalmış olmalı ve bu temsillerden hesaplanan atomun ömrü ihmal edilebilecek kadar küçük olmuştur. Bununla birlikte, Rutherford modeli, 1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Henrik David Bohr tarafından geliştirilen, temelde yeni bir teorinin yaratılmasının temelini oluşturdu.

Atomun Bohr modeli için bir başka ön koşul, 1885'te İsviçreli bilim adamı Johann Jakob Balmer, 1906'da Amerikalı fizikçi Theodor Lyman ve 1909'da Alman fizikçi Friedrich Paschen tarafından keşfedilen bir dizi spektral hidrojen çizgisiydi. Bu seriler (spektrumun görünür, morötesi ve kızılötesi bölgelerinde) çok basit bir modele uyuyordu: frekanslar farkla orantılıydı. ters kareler tüm sayılar.

Bohr, atomun gezegensel modelinin kararlılığını ve aynı zamanda bu spektral verileri kuantum teorisi açısından açıkladı ve atom modeline kuantum kısıtlamaları getiren bir dizi varsayımı formüle etti. Bohr'un postülalarına göre, bir elektron, çekirdeğin etrafında yalnızca belirli belirli ("sabit") yörüngeler boyunca dönebilir ve bu yörüngeler üzerinde enerji yaymaz. Çekirdeğe en yakın yörünge, atomun "normal" (en kararlı) durumuna karşılık gelir. Bir atoma bir kuantum enerji iletildiğinde, elektron daha uzak bir yörüngeye hareket eder. "Uyarılmış" durumdan "normal" duruma ters geçişe, bir radyasyon kuantumunun emisyonu eşlik eder.

Hidrojen atomu için, Bohr modeline dayalı spektrum hesaplamaları deneyle iyi bir uyum sağladı, ancak diğer elementler için deneysel verilerle önemli bir tutarsızlık elde edildi. 1916'da Alman fizikçi Arnold Johann Wilhelm Sommerfeld Bohr modelini geliştirdi. Sommerfeld, dairesel yörüngelere ek olarak, bir elektronun eliptik yörüngeler boyunca da hareket edebileceğini öne sürdü. Bu durumda, neredeyse aynı enerji seviyesi, ana kuantum sayısına eşit olan yörünge türlerinin sayısına karşılık gelir. Sommerfeld, modeli bir yan (yörünge) kuantum sayısı (elipslerin şeklini belirleyen) ve elektron kütlesinin hıza bağımlılığı ile destekledi. Klasik ve kuantum kavramları arasında bir uzlaşma olan atomun Bohr-Sommerfeld modeline dayanarak (klasik resme kuantum kısıtlamaları getirildi), 1921'de Niels Bohr, periyodik sistemin biçimsel teorisinin temellerini attı. Bohr'a göre elementlerin özelliklerinin periyodikliğinin nedeni, atomun dış elektronik seviyesinin yapısının periyodik olarak tekrarlanmasıydı.

1925 yılında Wolfgang Pauli, kendi adını taşıyan yasaklama ilkesinin formülasyonunu içeren çalışmasını yayınladı: kuantum hali sadece bir elektron olabilir. Pauli, bir elektronun durumunu karakterize etmek için dört kuantum sayısının gerekli olduğuna dikkat çekti: başlıca kuantum sayısı n, azimut kuantum sayısı l ve iki manyetik sayı m1 ve m2. Pauli'nin çalışmasının yayınlanmasından kısa bir süre sonra, genç fizikçiler George Eugene Uhlenbeck ve Samuel Abraham Goudsmit, elektronun dönüşü kavramını atom fiziğine tanıttılar. Amerikalı fizikçi Yüksek çözünürlüklü atomik spektrumlara dayanan Arthur Holly Compton, zaten 1921'de elektronun nicelleştirilmiş dönüşünü önerdi ve ertesi yıl, Otto Stern ve Walter Gerlach, bir manyetik alandaki gümüş atom demetinin iki parçaya ayrılmasını deneysel olarak gözlemlediler. elektron spinlerinin yönüne karşılık gelir.

1927'de Alman fizikçi Friedrich Hund elektron kabuklarını doldurmak için deneysel kurallar formüle etti. Pauli dışlamasının uygulanması ve seviyelerin doygunluğu ilkesi ile 1927 yılına kadar genel olarak inşa edildi. elektronik yapı o zamana kadar bilinen tüm 92 elementten. Atomların elektron kabuklarının yapısının doktrininin yaratılması, elementlerin ve bunların bileşiklerinin özelliklerinin periyodikliğinin nedenlerini açıklayan periyodik sistemin resmi bir fiziksel teorisini yaratmayı mümkün kıldı. ilk kimyasal bağ teorileri.

Alınan malzeme ile ne yapacağız:

Bu materyalin sizin için yararlı olduğu ortaya çıktıysa, sosyal ağlarda sayfanıza kaydedebilirsiniz:

GİRİİŞ

Atomun karmaşık yapısının keşfi, modern fiziğin oluşumundaki en önemli aşamadır. Atomun yapısı hakkında ilk bilgiler, elektrik akımının sıvılardan geçiş süreçleri incelenerek elde edildi. XIX yüzyılın otuzlu yıllarında. Olağanüstü fizikçi M. Faraday'ın deneyleri, elektriğin ayrı birim yükler şeklinde var olduğunu öne sürdü. Radyoaktivite adı verilen bazı elementlerin atomlarının kendiliğinden bozunmasının keşfi, atom yapısının karmaşıklığının doğrudan kanıtıydı. 1902'de İngiliz bilim adamları Ernest Rutherford ve Frederick Soddy, radyoaktif bozunma sırasında bir uranyum atomunun iki atoma dönüştüğünü kanıtladı - bir toryum atomu ve bir helyum atomu. Bu, atomların değişmez, yok edilemez parçacıklar olmadığı anlamına geliyordu.

Özetin amacı: Örnek olarak Ernest Rutherford ve Niels Bohr modellerini kullanarak atomların yapısı hakkındaki fikirlerin evrim sürecini yansıtmak.

Özetin pratik önemi, KSE üzerine derslerdeki öğrencileri atomun yapısı hakkında modern fikirler ve Rutherford ve Bohr'un bu konunun çalışmasına katkılarıyla tanıştırmaktır.

Çalışma sürecinde çeşitli kaynaklar kullanıldı: S. Kh. Karpenkov ve T.I. Trofimova, yüksek öğrenime yöneliktir. Atomun yapısı hakkında bilginin ortaya çıkış ve gelişme tarihini erişilebilir bir dilde anlatırlar; İnternet kaynakları. Bu konuyu modern bilim açısından incelemek için kullanılır. Bu yaklaşım, sorunu tüm çok yönlülüğüyle inceleme arzusundan kaynaklanmaktadır.

Bölüm 1. Thomson ve Rutherford'un atom yapısının modelleri

Atomların bölünmez en küçük madde parçacıkları olduğu fikri eski zamanlarda ortaya çıktı (Demokritos, Epicurus, Lucretius). Orta Çağ'da, materyalist olan atom doktrini tanınmadı. XVIII yüzyılın başlarında. atomistik teori giderek daha fazla popülerlik kazanıyor. Bu zamana kadar, Fransız kimyager A. Lavoisier'in (1743-1794), büyük Rus bilim adamı M.V. Lomonosov ve İngiliz kimyager ve fizikçi D. Dalton (1766-1844) atomların varlığının gerçekliğini kanıtladılar. Ancak, o zaman atomların bölünmez olduğu düşünüldüğünden, atomların iç yapısı sorunu bile ortaya çıkmadı.

Olağanüstü bir Rus kimyager D.I. 1869'da ilk kez bilimsel bir temelde atomların birleşik doğası sorununun ortaya çıktığı periyodik elementler sistemini geliştiren Mendeleev. XIX yüzyılın ikinci yarısında. elektronun herhangi bir maddenin ana parçalarından biri olduğu deneysel olarak kanıtlandı. Bu sonuçlar ve çok sayıda deneysel veri, 20. yüzyılın başında olduğu gerçeğine yol açtı. atomun yapısı sorununu ciddi biçimde gündeme getirdi. Mendeleev'in periyodik sisteminde açıkça ifade edilen tüm kimyasal elementler arasında düzenli bir ilişkinin varlığı, tüm atomların yapısının ortak bir özelliğe dayandığını göstermektedir: hepsi birbiriyle yakından ilişkilidir.

Atomların karmaşık yapısının ilk dolaylı doğrulaması, oldukça nadir gazlarda elektrik boşalmasından kaynaklanan katot ışınlarının incelenmesinde elde edildi. Bu ışınların özelliklerinin incelenmesi, bunların negatif bir elektrik yükü taşıyan ve ışık hızına yakın bir hızda uçan küçük parçacıklar akışı olduğu sonucuna varmıştır. Ek olarak, katot parçacıkları yalnızca yüklü halde bilinirler ve yüklerinden yoksun bırakılamazlar ve elektriksel olarak nötr parçacıklara dönüştürülemezler: elektrik yükü onların doğasının özüdür. Elektron adı verilen bu parçacıklar, 1897'de İngiliz fizikçi J. Thomson tarafından keşfedildi. Ayrıca 1903'te birikmiş deneysel verilere dayalı bir atom modeli oluşturma girişiminin de sahibidir. "Bu modele göre, bir atom, içinde elektronların denge konumları etrafında salındığı, yaklaşık 10-10 m yarıçaplı, sürekli olarak pozitif bir yükle yüklü bir küredir; elektronların toplam negatif yükü, topun pozitif yüküne eşittir, dolayısıyla atom bir bütün olarak nötrdür.”

1911'de İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, gazlardaki ve diğer maddelerdeki alfa parçacıklarının hareketini incelerken atomun pozitif yüklü kısmını keşfetti. Daha ayrıntılı çalışmalar, paralel ışın demeti gaz katmanlarından veya ince bir metal plakadan geçtiğinde, artık paralel ışınlar değil, biraz farklı ışınlar ortaya çıktığını göstermiştir: alfa parçacıkları saçılır, yani orijinal yollarından saparlar. . Sapma açıları küçüktür, ancak her zaman çok güçlü bir şekilde sapan az sayıda (yaklaşık birkaç binde bir) parçacık vardır. Bazı parçacıklar, yolda aşılmaz bir bariyerle karşılaşılmış gibi geri atılır. Bunlar elektron değildir - kütleleri alfa parçacıklarının kütlesinden çok daha azdır. Kütlesi alfa parçacıklarının kütlesi ile aynı sırada olan pozitif parçacıklarla çarpışırken sapma meydana gelebilir. Bu düşüncelere dayanarak, Rutherford atomun yapısının nükleer (gezegensel) bir modelini önerdi. (Ek B)

Rutherford'un atomun yapısı için önerdiği şema veya genellikle dedikleri gibi atomun nükleer modeli, alfa parçacıklarının sapma fenomenini kolayca açıklar. Aslında, çekirdeğin ve elektronların boyutları, çekirdekten en uzaktaki elektronların yörüngeleri tarafından belirlenen tüm atomun boyutlarına kıyasla son derece küçüktür, böylece çoğu alfa parçacığı, fark edilir bir sapma olmadan atomların içinden geçer. Sadece alfa parçacığının çekirdeğe çok yaklaştığı durumlarda elektriksel itme, orijinal yolundan keskin bir şekilde sapmasına neden olur. Böylece, alfa parçacıklarının saçılmasının incelenmesi, atomun nükleer teorisinin başlangıcını işaret etti. Ancak, tutarlı akıl yürütmeye rağmen, Rutherford'un modeli atomların tüm özelliklerini açıklayamadı. Dolayısıyla, klasik fizik yasalarına göre, pozitif yüklü bir çekirdekten bir atom ve dairesel yörüngelerde dolaşan elektronlar elektromanyetik dalgalar yaymalıdır. Elektromanyetik dalgaların emisyonu, çekirdek-elektron sistemindeki potansiyel enerjide bir azalmaya, elektron yörüngesinin yarıçapında kademeli bir azalmaya ve elektronun çekirdeğe düşmesine yol açmalıdır. Ancak atomlar genellikle elektromanyetik dalgalar yaymazlar, elektronlar atom çekirdeğinin üzerine düşmez, yani atomlar kararlıdır.” Klasik fizik çerçevesinde bir atom modeli oluşturma girişimleri başarıya yol açmadı: Thomson modeli Rutherford'un deneyleri tarafından reddedilirken, nükleer modelin elektrodinamik olarak kararsız olduğu ve deneysel verilerle çeliştiği ortaya çıktı. Ortaya çıkan zorlukların üstesinden gelmek, niteliksel olarak yeni bir atom teorisinin yaratılmasını gerektiriyordu.

Bölüm 2. Bohr atomunun yapısının modeli.

1 Bohr'un varsayımları

Niteliksel olarak yeni bir atom kuantum teorisi inşa etmeye yönelik ilk girişim 1913'te yapıldı. Danimarkalı fizikçi Niels Bohr. Kendisi, çizgi spektrumlarının deneysel düzenliliklerini, Rutherford'un atomun nükleer modelini ve ışığın emisyonunun ve soğurulmasının kuantum doğasını tek bir bütünde birleştirme hedefini belirledi. Bohr, teorisini Rutherford'un nükleer modeline dayandırdı. Elektronların çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde hareket ettiğini öne sürdü. Dairesel hareket, sabit hızda bile ivmeye sahiptir. Yükün böyle hızlandırılmış bir hareketi, uzayda alternatif bir elektromanyetik alan yaratan alternatif bir akıma eşdeğerdir. Bu alanı oluşturmak için enerji tüketilir. Alan enerjisi, bir elektronun bir çekirdekle Coulomb etkileşiminin enerjisi nedeniyle oluşturulabilir. Sonuç olarak, elektron bir spiral içinde hareket etmeli ve çekirdeğe düşmelidir. Ancak deneyimler, atomların çok kararlı oluşumlar olduğunu göstermektedir. Bu, Maxwell denklemlerine dayanan klasik elektrodinamiğin sonuçlarının atom içi süreçlere uygulanamayacağı sonucunu ima eder. Yeni kalıpların bulunması gerekiyor. Bohr teorisini iki varsayıma dayandırdı.

mevrn = nħ (n = 1, 2, 3,…)

burada me elektron kütlesi, v onun rn yarıçapının n. yörüngesindeki hızı, ħ = h/(2 π )».

Bohr'un teorisi, hidrojenin deneysel olarak gözlemlenen çizgi spektrumunu zekice açıkladı. Ancak hidrojen atomu teorisinin başarısı, 200 yıldan fazla bir süredir koşulsuz olarak doğru kalan klasik mekaniğin temel hükümlerini terk etme pahasına elde edildi. Bu nedenle, Bohr'un varsayımlarının, özellikle durağan durumların varlığına ilişkin ilk varsayımın geçerliliğinin doğrudan deneysel kanıtı büyük önem taşıyordu. İkinci varsayım, enerjinin korunumu yasasının ve fotonların varlığı hipotezinin bir sonucu olarak düşünülebilir.

Günümüzde kuantum mekaniğinin yardımıyla herhangi bir elementin atomlarının yapısı ve özellikleri ile ilgili birçok soruya cevap vermek mümkündür.

2.2. Sabit yörüngeler ve enerji seviyeleri

Bohr'un varsayımlarına dayanarak, bir atomun durağan halleri aşağıdaki gibi görselleştirilebilir.

merkezcil ivme ā bir elektron bir daire boyunca hareket ettiğinde, Coulomb kuvveti Fe tarafından yaratılır. Sonuç olarak,

V2/r = Fe/m

Bir hidrojen atomunda, çekirdeğin yükü elektronun e yüküne eşittir, dolayısıyla hidrojen atomu için şunu elde ederiz:

/r = e2/4 πε 0mr2

v2 = e2/4 πε 0mr

Nadir bulunan sabit dairesel yörüngelerin her biri boyunca hareket eden elektron, atom çekirdeğinin elektrik alanındaki potansiyel enerjinin yanı sıra belirli bir miktarda kinetik enerjiye sahiptir. Sayısı n olan durağan bir yörüngedeki bir elektronun kinetik enerjisinin toplamını ve bir elektronun bir atom çekirdeği ile etkileşiminin potansiyel enerjisini En ile gösterelim. Daha sonra bir atomdaki bir elektronun izin verilen her durağan yörüngesi, atomun durağan durumdaki enerjisinin değerine atanabilir. Atomların olası enerji durumlarının görsel bir temsili için enerji diyagramları kullanılır. (Ek B)

Bir elektronun m numaralı sabit bir yörüngeden n numaralı sabit bir yörüngeye geçişi, bir atomun Em enerjili bir durumdan En enerjili bir duruma geçişine karşılık gelir. Enerji seviyesi diyagramındaki bu geçiş, Em seviyesinden En seviyesine dikey bir okla gösterilir. (Ek D)

2.3 Çizgi spektrumlarının kökeninin açıklaması

Aynı kimyasal elementin tüm atomları aynı nükleer yüke sahiptir. Aynı nükleer yüke sahip atomlar, aynı elektron kabuğu yapısına sahiptir ve bu nedenle, aynı olası enerji durumları ve aralarındaki geçişlere sahiptir. Fotonların emisyonu ve absorpsiyonu, atomların izin verilen bir durağan durumdan diğerine geçişleri sırasında meydana gelir. E1 enerjili normal durumdan En enerjili uyarılmış duruma geçiş sırasında bir atom tarafından soğurulan bir fotonun enerjisi, ters geçiş sırasında atom tarafından yayılan fotonun enerjisine tam olarak eşittir, çünkü her iki durumda da atomun bu iki durumdaki enerjileri arasındaki farka eşittir:

2.4 Bohr teorisinin avantajları ve dezavantajları

Bohr'un teorisinin avantajları.

Bohr Teorisinin Dezavantajları

Bohr'un teorisi mantıksal olarak tutarsızdır: ne klasik ne de kuantumdur. Altında yatan iki denklem sisteminde, biri - bir elektronun hareket denklemi - klasik, diğeri ise yörüngelerin kuantizasyon denklemi - kuantum. Ayrıca spektral çizgilerin yoğunluğunu da açıklayamıyordu. Bu teori sadece hidrojen benzeri atomlar için geçerlidir ve deneysel veriler (iyonizasyon enerjisi veya diğerleri) olmadan periyodik tabloda onu takip eden atomlar için çalışmaz. Bohr'un teorisi yeterince tutarlı ve genel değildi. Bu nedenle, daha sonra, daha genel ve tutarlı başlangıç noktalarına dayanan modern kuantum mekaniği ile değiştirildi. Bohr'un varsayımlarının daha genel kuantum yasalarının sonuçları olduğu artık biliniyor. Ancak nicemleme kuralları günümüzde yaklaşık oranlar olarak yaygın olarak kullanılmaktadır: doğrulukları genellikle çok yüksektir.

Dolayısıyla Bohr'un teorisi, atom fiziğinin gelişiminde önemli bir adımdır. Kuantum mekaniğinin yaratılmasında önemli bir adımdır. Bununla birlikte, bu teorinin birçok çelişkisi vardır (bir yandan klasik fizik yasalarını uygularken, diğer yandan kuantum postülalarına dayanmaktadır). Hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri sistemlerin spektrumlarını inceledi ve spektral çizgilerin frekanslarını hesapladı, ancak yoğunluklarını açıklayamadı ve soruyu cevaplayamadı: neden belirli geçişler meydana geliyor? Bohr'un teorisinin ciddi bir dezavantajı, spektrumu - helyum atomunu - hidrojen atomunu hemen takip eden en basit atomlardan birini tanımlamak için kullanmanın imkansızlığıydı.

yörünge radyasyonu bor enerjisi

Çözüm

Yirminci yüzyılda, N. Bohr'un teorisinin bazı hükümleri eklenmiş ve yeniden düşünülmüştür. En önemli değişiklik, yalnızca bir parçacık olarak elektron kavramının yerini alan bir elektron bulutu kavramının tanıtılmasıydı. Daha sonra, Bohr'un teorisinin yerini, elektronun ve atomu oluşturan diğer temel parçacıkların dalga özelliklerini hesaba katan Albert Einstein'ın kuantum teorisi aldı.

Bu çalışma sırasında, atomların yapısı hakkındaki fikirlerin evrim süreci, Ernest Rutherford ve Niels Bohr'un modelleri örneğine yansıtılmıştır. Rutherford ve Bohr tarafından ifade edilen atomların yapısı hakkında tamamen çalışılmış, analiz edilmiş ve genelleştirilmiş fikirler. Modern fizik açısından, atomun yapısı hakkında en doğru varsayım Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr tarafından yapılmıştır.

KSE ile ilgili derslerden birinde, öğrencilere atomun yapısı ve Rutherford ve Bohr'un bu konunun araştırılmasına katkısı hakkındaki modern fikirler tanıtılacaktır.

Atomun ilk elektronik modelinin keşfinin önemi. Atomun yapısının modelleri

İş emri

2.2 Rutherford modeli

2.3. Bohr modeli

Alınan malzeme ile ne yapacağız:

İlgili Makaleler