Model of Atom – Rutherford’s Model
Ένα από τα παλαιότερα μοντέλα που προτάθηκαν για την περιγραφή της δομής ενός ατόμου ήταν το μοντέλο πουτίγκας δαμάσκηνου που προτάθηκε από τον J.J Thomson. Δηλώνει ότι το άτομο αποτελείται από μια ομοιογενή σφαίρα θετικών φορτίων, στο εσωτερικό της οποίας υπάρχουν μικροσκοπικά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια).
Για να ελέγξει την εγκυρότητα αυτού του μοντέλου, ο Ernest Rutherford πειραματίστηκε το 1911 στο οποίο βομβάρδισε ένα φύλλο μετάλλου με θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα και εξέτασε το σχέδιο εκτροπής. Στη συνέχεια άρχισε να μελετά τα μονοπάτια αυτών των σωματιδίων μετά από αλληλεπίδραση με το φύλλο χρυσού.
Ο Rutherford, στο πείραμά του, διεξήγαγε ρεύματα υψηλής ενέργειας σωματιδίων άλφα από μια ραδιενεργή πηγή σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού (συνήθως πάχους 100 nm). Για να μελετήσει την απόκλιση που προκαλείται στα σωματίδια άλφα, τοποθέτησε ένα φθορίζον πλέγμα θειούχου ψευδαργύρου γύρω από αυτό το λεπτό φύλλο χρυσού. Ο Ράδερφορντ έκανε συγκεκριμένες παρατηρήσεις που αντέκρουαν το ατομικό μοντέλο του Τόμσον και έδωσε ένα νέο μοντέλο που ονομάζεται ατομικό μοντέλο του Ράδερφορντ.
Πείραμα του Ράδερφορντ
Το μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ, γνωστό και ως ηλιακό ή πυρηνικό άτομο ή πλανητικό μοντέλο του ατόμου, περιγράφει τη δομή των ατόμων. Ο γεννημένος στη Νέα Ζηλανδία φυσικός Έρνεστ Ράδερφορντ ενδιαφέρθηκε να μάθει πώς είναι διατεταγμένα τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα άτομο. Σχεδίασε ένα πείραμα για αυτό. Σε αυτό το πείραμα, τα ταχέως κινούμενα σωματίδια άλφα έπεσαν σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού.
Είναι ένα σημαντικό πείραμα που οδήγησε τον Ράδερφορντ να περιγράψει σωστά την κατανομή θετικών και αρνητικών φορτίων εντός του ατόμου.
Η πηγή σωματιδίων άλφα τοποθετείται στην κοιλότητα του μολύβδου. Τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από την πηγή συγκεντρώνονται σε μια στενή δέσμη με τη βοήθεια μολύβδου και ανάβουν. Η ευθυγραμμισμένη δοκός αφήνεται να πέσει σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού πάχους της τάξης των 2,1 × 107 m. Τα διασκορπισμένα σωματίδια άλφα παρατηρήθηκαν μέσω ενός περιστρεφόμενου ανιχνευτή που αποτελείται από μια οθόνη θειούχου ψευδαργύρου και ένα μικροσκόπιο. Τα σωματίδια άλφα που χτυπούν την οθόνη παράγουν σπινθηρισμούς, οι οποίοι μπορούσαν να παρατηρηθούν και να μετρηθούν σε διαφορετικές γωνίες από την κατεύθυνση της προσπίπτουσας δέσμης.
Παρατηρήσεις
Σχεδιάζεται ένα γράφημα μεταξύ της γωνίας σκέδασης και του αριθμού των σωματιδίων άλφα N() που είναι διάσπαρτα .
(i) Τα περισσότερα από τα σωματίδια άλφα περνούν κατευθείαν μέσα από το φύλλο χρυσού ή βρέθηκε ότι εκτρέπονται από μικρές γωνίες και η γωνιακή τους κατανομή είναι σταθερή.
(ii) Πολύ λίγα σωματίδια άλφα βρέθηκαν να είναι διασκορπισμένα σε μεγάλες γωνίες (μεγαλύτερες από 900)
(iii) Ένας πολύ μικρός αριθμός σωματιδίων άλφα, περίπου 1 στα 8000, πρακτικά επανήλθαν στις διαδρομές τους.
(iv) Ένα σωματίδιο άλφα σπάνια αποκηρύσσει, δηλ. διασκορπίζεται σε γωνία 1800.
Αποτέλεσμα
Ο μεγάλος αριθμός σωματιδίων άλφα που διέρχονται από το άτομο χωρίς παρέκκλιση δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι κοίλο μέσα.
Η σκέδαση των σωματιδίων άλφα μέσα από μικρές γωνίες δείχνει ότι η θέση του ατόμου που είναι υπεύθυνο για τη σκέδαση πρέπει επίσης να έχει θετικό φορτίο. Περαιτέρω, σταθεροποιήθηκε η γωνιακή κατανομή των διάσπαρτων σωματιδίων άλφα. Ως εκ τούτου, δείχνει ότι ένα θετικό φορτίο πρέπει να συγκεντρωθεί στο κέντρο του ατόμου.
Ένας πολύ μικρός αριθμός σωματιδίων άλφα που επανήλθαν στη διαδρομή τους δείχνει ότι το θετικό φορτίο σε ένα άτομο συγκεντρώνεται σε έναν εξαιρετικά μικρό χώρο στο κέντρο ενός ατόμου.
Σύμφωνα με το διάσημο πείραμα σκέδασης σωματιδίων άλφα του Ράδερφορντ που ονομάζεται πείραμα σκέδασης άλφα του Ράδερφορντ:
Το άτομο μπορεί να θεωρηθεί ως μια σφαίρα ακτίνας 10-10m στην οποία το σύνολο του θετικού φορτίου και σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου συγκεντρώνεται σε ένα πολύ μικρό περιοχή στο κέντρο του ατόμου, που ονομάζεται πυρήνας του οποίου το μέγεθος είναι της τάξης των 10-14 m.
Ένας κατάλληλος αριθμός ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές όλων των πιθανών ακτίνων. Η απαραίτητη κεντρομόλος δύναμη έλξης μεταξύ ηλεκτρονίων και πυρήνα.
Τα άτομα στο σύνολό τους είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Το συνολικό αρνητικό φορτίο στα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα είναι ίσο με το συνολικό θετικό φορτίο στον πυρήνα.
Μοντέλο ατόμου – Τα μοντέλα του Rutherford απέτυχαν να εξηγήσουν τη σταθερότητα του ατόμου και το γραμμικό φάσμα του ατόμου.
Η πηγή ραδίου εκπέμπει σωματίδια άλφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα περισσότερα σωματίδια άλφα απορροφώνται από το μπλοκ μολύβδου. Μόνο ένα λεπτό μολύβι από ακτίνες Άλφα βγαίνει από το τούνελ και πέφτει πάνω στο χρυσό φύλλο. Τα άτομα χρυσού διασκορπίζουν τα σωματίδια άλφα. Όταν τα διάσπαρτα σωματίδια άλφα πέφτουν σε μια οθόνη S επικαλυμμένη με θειούχο ψευδάργυρο, παράγουν λάμψεις. Αυτές οι λάμψεις παρατηρούνται μέσω του τηλεσκοπίου T.
Δηλώσεις του ατομικού μοντέλου του Ράδερφορντ
Ένα άτομο είναι φτιαγμένο από +vely φορτισμένα σωματίδια. Η πλειονότητα της μάζας ενός ατόμου ήταν συγκεντρωμένη σε μια πολύ μικρή περιοχή. Αυτή η περιοχή του ατόμου ονομάζεται πυρήνας ενός ατόμου. Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι ο μικροσκοπικός και πυκνός πυρήνας του ατόμου αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια.
Ο πυρήνας ενός ατόμου περιβάλλεται από φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε μια σταθερή κυκλική διαδρομή με πολύ υψηλή ταχύτητα. Αυτές οι σταθερές κυκλικές διαδρομές ονομάζονται "τροχίες".
Ένα άτομο δεν έχει καθαρό φορτίο ή είναι ηλεκτρικά ουδέτερο επειδή τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα με βελόνα και ο πυκνά συγκεντρωμένος πυρήνας είναι φορτισμένος με +vely. Μια ισχυρή ηλεκτροστατική δύναμη έλξης συγκρατεί τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια.
Το μέγεθος του πυρήνα ενός ατόμου είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με το συνολικό μέγεθος ενός ατόμου.
Περιορισμοί του ατομικού μοντέλου Rutherford:
Μετά το πείραμά του, ο Ράδερφορντ πρότεινε το πλανητικό μοντέλο των ατόμων. Το άτομο αποτελείται από μια μικροσκοπική αλλά πολύ συγκεντρωμένη περιοχή ενός θετικά φορτισμένου πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια σε τροχιά σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας. Υποστήριξε σωστά ότι το άτομο είναι κυρίως κενός χώρος.
Το ηλεκτρόνιο παραμένει σε τροχιά με τον ίδιο τρόπο που οι πλανήτες παραμένουν σε τροχιά γύρω από τον ήλιο.
Όπως αποδείχθηκε, αυτό το μοντέλο ήταν αρκετά ακριβές.
Τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα επιταχύνονται συνεχώς προς το κέντρο. Σύμφωνα με τον Lorentz, ένα σωματίδιο επιταχυνόμενου φορτίου θα πρέπει να εκπέμπει συνεχώς ενέργεια. Επομένως, σε ένα άτομο επίσης, ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρόνιο πρέπει να εκπέμπει συνεχώς ενέργεια. Ως εκ τούτου, η ακτίνα της διαδρομής του συνεχίζει να μειώνεται, και τελικά θα πρέπει να πέσει στον πυρήνα. Επομένως, το ατομικό μοντέλο του Rutherford δεν μπορεί να εξηγήσει τη σταθερότητα του ατόμου.
Παράμετρος αντίκτυπου
Ας υποθέσουμε ότι ένα σωματίδιο άλφα προσπίπτει σε έναν πυρήνα Ν και από μεγάλη απόσταση. Η γραμμή που διασχίζεται από τον πυρήνα Ν και είναι παράλληλη προς την κατεύθυνση κίνησης του σωματιδίου άλφα ονομάζεται γραμμή μετωπικής σύγκρουσης. Η κάθετη απόσταση μεταξύ της γραμμής ΑΒ και αυτής της γραμμής ονομάζεται παράμετρος κρούσης. Συμβολίζεται με b.
Λόγοι για τους οποίους απέτυχε
1. Απέτυχε να εξηγήσει γιατί μεμονωμένα άτομα παράγουν διακριτό φάσμα ορατού φωτός. Σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford, όταν τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται σε τροχιά, θα πρέπει να παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Επομένως θα πρέπει να παράγουν ένα συνεχές φάσμα φωτός. Ωστόσο, τα πειράματα δείχνουν ότι μεμονωμένα άτομα παράγουν διακριτά φάσματα γραμμής.
2. Σύμφωνα με το μοντέλο του Rutherford, το ηλεκτρόνιο επιταχύνεται γύρω από μια κυκλική τροχιά. Σύμφωνα με τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell, αυτό το ηλεκτρόνιο θα εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή φωτός. Επομένως, η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου θα μειωνόταν, μειώνοντας έτσι την ταχύτητα. Με μια μείωση της ταχύτητας, τα ηλεκτρόνια δεν θα έμεναν σε τροχιά και δεν θα έμπαιναν στον πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα είναι γενικά σταθερά.
Παρατηρήσεις
Τα περισσότερα από τα γρήγορα κινούμενα σωματίδια άλφα περνούν κατευθείαν μέσα από το φύλλο χρυσού.
Μερικά από τα σωματίδια άλφα εκτρέπονταν από το φύλλο με μικρές γωνίες.
Απροσδόκητα ένα στα 12000 σωματίδια φάνηκε να αναπηδούν.
Συμπέρασμα
Δεδομένου ότι πολλά σωματίδια άλφα δεν παρουσιάζουν σχεδόν καμία απόκλιση, αυτό σημαίνει ότι ένα μεγάλο μέρος ενός ατόμου είναι κενός χώρος.
Πολύ λίγα σωματίδια εκτρέπονται από την πορεία τους, υποδεικνύοντας ότι το θετικό φορτίο του ατόμου καταλαμβάνει πολύ λίγο χώρο.
Η προς τα πίσω σκέδαση των σωματιδίων άλφα δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου συγκεντρώνεται σε μικρό όγκο του ατόμου.
