Основные опыты Резерфорда
Особенность открытия субатомных частиц. Характеристика изучения модели атома Резерфорда. Анализ опровержения теории Томсона. Сущность электронной конфигурации элемента. Изучение орбиталей и квантовых чисел. Современные представления о строении ядра.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.11.2015 |
| Размер файла | 24,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
Введение
1. Опыты Резерфорда
1.1 Открытие субатомных частиц
1.2 Модель атома Резерфорда
2. Модель атома Томсона
2.1 Описание модели
2.2 Опровержение модели Томсона
2.3 Интересные факты
3. Строение атома
3.1 Орбитали
3.2 Квантови числа
3.3 Современные представления о строении ядра
Заключение
Литература
Введение
На протяжении всего существования цивилизации человечество делало попытки систематизировать знания о строении материи. Аристотель считал, что каждое тело в своей основе имеет четыре стихии: Воду, Огонь, Воздух и Землю. Свойства тел зависят от количества соотношение этих стихий в каждом из них. Этот взгляд на строение материи просуществовал практически без изменений до времен средневековых алхимиков. А подробные ответы на все вопросы человеческой ство не получило и сейчас.
Однако за последние сто лет ученым удалось сформировать-лю-вать несколько теорий строения атома, которые, возможно, не далеки от истины. Уже в далеком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от ее «сущности». Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.
Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее. К концу XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.
Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 г., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить еще одна составная часть, уравновешивала сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения? - Частиц в газах и других веществах.
Первым современную атомистической теории выдвинул Джон Дальтон. Он допустил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. В 1895 году Вильгельм Рентген открыл х-лучи (получил за это открытие Нобелевскую премию), которым затем было дано название рентгеновского излучения. А в следующем году Антуан Анри Беккерель показал, что соль урана самовольно излучает незаметное излучения. Это явление получило название радиоактивность. Эти и другие исследования подготовили почву для открытия субатомных частиц.
1. Опыты Резерфорда
1.1 Открытие субатомных частиц
Электрон был первой субатомной частицей, открытой. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон и определил его удельный заряд и относительную массу.
Заряд: е = 1,602 * 10-19 Кл., mе = 9,110 * 10-28г.
После открытия электрона Томсон предложил модель атома в которой электроны находятся внутри атома. Эта модель получила название "сливовый Периг" и была очень далека от реального положения вещей. Она отражала только количественный состав атома, но не положение электронов и ядра в атоме.
Протон был вторым в очереди открытых частиц.
Резерфорд Эрнест (1871-1937)
В 1899г. Эрнест Резерфорд открыл радиоактивное - и-излучения.
Е. Резерфорд родился в Новой Зеландии 1871. в двадцать семь лет стал профессором физики в Университете Мак-Гилла в Монреале. В 1907г. Резерфорд переехал в Англию. В 1908 им получена Нобелевская премия за исследования радиоактивности. В 1914 по английскому обычаю был посвящен в рыцари, а в 1931 г. получил звание пэра. Умер в 1937 г. Резерфорд, несомненно, является одним из величайших ученых ХХ.
В 1910 г. ученики Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден провели эксперимент, который позволил объяснить существование ядра в атоме. Они бомбардировали тонкие листья золотой фольги-частицами. После этого опыта Резерфорд предсказал существование и природу протона.
Нейтрон. Экспериментально был открыт в 1932 году Дж. Чедвиком, но его существование было предсказано Резерфордом, еще в 1920 г. Нейтрон не имеет заряда, чем и обязан своим названием.
После открытия субатомных частиц Резерфорд предложил свою модель строения.
1.2 Модель атома Резерфорда
При изучении б-частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание б-частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.
7 марта 1911 Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад "Рассеяние бы и в-лучей и строение атома". В докладе он, в частности, говорил: "Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве бы и в-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, получают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала ". Бомбардировка золотой фольги б-частицами проводили на таком устройстве.
Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, Резерфорд положил равным ± Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. "Точное значение заряда центрального ядра не было определено, - писал Резерфорд, - но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда". Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, что начали проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре, как устойчивую часть атома, несущей в себе почти всю массу атома и положительным зарядом (Резерфорд считал знак заряда неопределенным). При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.
Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Бор писал: "С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом ... "
Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильса Бора, в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.
2. Модель атома Томсона
Модель Томсона (иногда называемая «пудинговая модель атома») -- модель атома, предложенная в 1904 году Джозефом Джоном Томсоном. После открытия им в 1897 году электрона, Томсон предположил, что отрицательно заряженные «корпускулы» (так Томсон называл электроны, хотя ещё в 1894 году Дж. Дж. Стоуни предложил называть «атомы электричества» электронами) входят в состав атома и предложил модель атома, в котором в облаке положительного заряда, равного размеру атома, содержатся маленькие, отрицательно заряженные «корпускулы», суммарный электрический заряд которых равен заряду положительно заряженного облака, обеспечивая электронейтральность атомов. «Корпускулы» в этой модели распределены внутри положительно заряженного облака с одинаковой по объёму плотностью заряда, подобно изюминкам в тесте пудинга. Отсюда произошёл термин «пудинговая модель атома».
2.1 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»(рис. 1). 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. атом резерфорд орбиталь квантовый
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.
2.2 Опровержение модели Томсона
Модель атома Томсона 1904 года была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге в 1909 году, который был проанализированЭрнестом 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.
2.3 Интересные факты
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.
3. Строение атома
Сусне теория строения атомов базируется на модели Бора и опытах Резерфорда, но только современные методы исследований позволяют объяснить строение атома более подробно.
3.1 Орбитали
Рассмотрим пространственное расположение электронов в атоме. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, положение и скорость электрона не поддаются одновременном определению с определенной точностью. Однако, несмотря на невозможность точного определения положения электрона, можно указать вероятность нахождения электрона в определенном положении в любой момент времени. Часть пространства, в которой очень высока вероятность нахождения электрона, называется орбиталью.
3.2 Квантови числа
Внимательное рассмотрение атомных спектров показывает, что линии, обусловленные переходом между квантовыми энергетическими уровнями, на самом деле расщеплены на более тонкие, то есть на подоболочки, каждая со своим энергетическим уровнем. Эти электронные подоболочки получили название по виду соответствующих линий в атомном спектре:
s-подоболочки названа по "резкой" (sharp) s-линией
р-подоболочки - по "главной" (principal) р-линией
d-подоболочки - за "диффузной" (diffuse) d-линией
f-подоболочки - за "фундаментальной" (fundamental) f-линией
s-подоболочки состоит из одной s-орбитали.
Р-подоболочки состоит из трех р-орбиталей
d-подоболочки состоит из пяти d-орбиталей
f-подоболочки состоит из семи f-орбиталей
Наличие у электрона особого свойства - спина, также обуславливает расщепление спектра. Таким образом, энергетический уровень электрона в атоме определяется четырьмя характеристиками: оболочкой подоболочки, орбиталью и спином. Каждой из этих характеристик соответствует определенное квантовое число.
Каждый электрон имеет свой индивидуальный набор квантовых чисел, которым он отличается от других электронов данного атома.
Электронная конфигурация элемента - это запись распределения электронов в его атомах по оболочках, подоболочки и орбиталях. Для определения конкретной электронной конфигурации элемента в стационарном состоянии есть три правила:
Принцип заполнения. Электроны в стационарном состоянии атома заполняют орбитали в соответствии повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
Например:
Водород 1H 1s1
Принцип запрета Паули. На любой орбитали може находиться не более двух электронов и только в том случае, если в них ризнонапрямлени спины.
Например:
1s 2s
Литий 3Li 1s2 2s1
Правило Гунда. Заполнение орбиталей одной подоболочки начинается по одному электрону с параллельными спинами, и только после того, как неспаренных электрона займут все орбитали, может проходить заполнения орбиталей парами электронов с противоположными спинами.
Например:
1s 2s 2p
Азот 7N 1s22s22p3
3.3 Современные представления о строении ядра
1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.
2. Зарядом ядра называется величина Zе, где е - величина заряда протона, Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z = 1 до Z = 107. Для всех ядер, кроме и некоторых других нейтронодефицитних ядер N и, где N - число нейтронов в ядре. Для легких ядер N /Z »1, для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, N /Z» 1,6.
3. Число нуклонов в ядре A = N + Z называется массовым числом. Нуклон (протона и нейтрона) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А.
Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента сказывается X, где Х - символ химического элемента.
Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.
4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеет условный смысл из-за размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть объяснена как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.
Плотность ядерного вещества составляет 1017 кг/м3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотность обычных веществ.
5. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.
Заключение
1. Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако сделанные в 1900-х годах исследования привели к подтверждению планетарной модели.
2. Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбит вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им отделиться. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения? - Частиц, если известно, что размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома.
3. Теория Бора оказала огромный вклад в развитие современного представления о строении атома, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма излучения, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.
... В далеком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от ее «сущности». Благодаря великим ученым прошлого века, мы приближаемся к истинному пониманию строения материи, но из чего в действительности она состоит полностью еще неизвестно никому.
Литература
1.М.Л. Глинки. Общая физика. - М.: Высшая школа, 1982. - 608с.
2.М.А. Тамаров. Неорганическая физика. - М.: Медицина, 1974. - 480 с.
3.В.В. Григорьева и др.. Общая физика. - М.: Высшая школа, 1991. - 431 с.
4.Ахметов Н.С. Неорганическая физика. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1975. - 670с.
5.Кемплбел Дж. Современная общая физика: В3-х т.-М.: Мир, 1991.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
История открытия радиоактивности, модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Правило квантования Бора-Зоммерфельда. Боровская теория водородоподобного атома, схема его энергетических уровней. Оптические спектры испускания атомов.
презентация [3,7 M], добавлен 23.08.2013Возникновение гипотезы о том, что вещества состоят из большого числа атомов. Развитие конкретных представлений о строении атома по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Выводы из опыта по рассеиванию альфа-частиц частиц Резерфорда.
презентация [797,7 K], добавлен 15.02.2015Ранняя модель микрочастицы, построенная по аналогии с Сатурном, предложенная Нагаокой. Сущность и результаты опыта Резерфорда по исследованию внутренней структуры атома путем его зондирования с помощью альфа-частиц. Сущность планетарной атомной модели.
презентация [544,6 K], добавлен 27.01.2011Строение атома. Атом как целое. Структура атома: опыты Резерфорда, планетарная модель атома Резерфорда, квантовые постулаты Бора. Лазеры: история создания, устройство, свойства, применение лазера в ювелирной отрасли, в медицине.
реферат [481,9 K], добавлен 13.04.2003Планетарная модель атома Резерфорда. Состав и характеристика атомного ядра. Масса и энергия связи ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Взаимодействие между заряженными частицами. Большой адронный коллайдер. Положения теории физики элементарных частиц.
курсовая работа [140,4 K], добавлен 25.04.2015Исследование концепции динамической структуры атома в пространстве. Изучение структуры атома и атомного ядра. Описания динамики движения тел в реальном пространстве потенциальных сфер. Анализ спирального движения квантовых частиц в свободном пространстве.
реферат [2,4 M], добавлен 29.05.2013Исторический путь научного исследования микрочастиц. Содержание планетарной модели атома с электронами Резерфорда и теории корпускулярно-волнового дуализма частиц веществ Луи де Бройля. Характеристика принципов неопределенности и дополнительности.
контрольная работа [22,5 K], добавлен 11.10.2010Предпосылки и история развития процесса открытия электрона. Опыты Томсона и Резерфорда и методы открытия электрона. Метод Милликена: описание установки, вычисление элементарного заряда. Метод визуализации Комптона. Научное значение открытия электрона.
реферат [362,3 K], добавлен 21.05.2008Эволюция представлений о строении атомов на примере моделей Эрнеста Резерфорда и Нильса Бора. Стационарные орбиты и энергетические уровни. Объяснение происхождения линейчатых спектров излучения и поглощения. Достоинства и недостатки теории Н. Бора.
реферат [662,9 K], добавлен 19.11.2014Дослідження та винаходи, які сприяли формуванню гіпотези про складну будову атома: відкриття субатомних частинок, рентгенівські промені та радіоактивність. Перша модель атома Дж.Дж. Томсона. Планетарна модель Резерфорда. Теорія та постулати Бора.
курсовая работа [985,6 K], добавлен 26.09.2012
