המודל האטומי של רתרפורד: היסטוריה, ניסויים, POSTULATES - גוּפָנִי - 2025

המודל האטומי רתרפורד הוא תיאור של האטום שנוצר על ידי הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד (1871-1937) גילה ב 1911 כאשר גרעין האטום על ידי ניסויים פיזור המפורסם שלוקחים את שמם.

הרעיון של האטום ("בלתי ניתן לחלוקה" ביוונית) כמרכיב הקטן ביותר בחומר, היה יצירה אינטלקטואלית שנולדה ביוון העתיקה, בסביבות 300 לפני הספירה. כמו מושגים יוונים רבים אחרים, מושג האטום מפותח על בסיס היגיון וויכוח, אך לא ניסויים.

המודל האטומי של רתרפורד

הפילוסופים האטומיסטיים הבולטים ביותר היו דמוקריטוס אבדרה (460 - 360 לפני הספירה), אפיקורוס מסאמוס (341 - 270 לפני הספירה) וטיטוס לוקרטיוס (98 - 54 לפני הספירה). היוונים הגהו ארבעה סוגים שונים של אטומים שתואמים את ארבעת היסודות שעל פיהם היוו חומר: אוויר, מים, אדמה ואש.

מאוחר יותר אריסטו היה מוסיף אלמנט חמישי: האתר היוצר את הכוכבים, מכיוון שארבעת היסודות האחרים היו יבשתיים גרידא.

כיבושי אלכסנדר מוקדון, אשר אריסטו היה מורה, הרחיבו את אמונותיו ברחבי העולם העתיק, מספרד להודו וכך, במשך מאות שנים, הרעיון של האטום יצר מקום משלו בעולם המדע.

האטום כבר לא ניתן לחלוקה

רעיונותיהם של הפילוסופים היוונים אודות מבנה החומר התקיימו במשך מאות שנים, עד שכימאי ומורה לבית ספר אנגלי בשם ג'ון דלטון (1776-1844) פרסם את תוצאות הניסויים שלו בשנת 1808.

דלטון הסכים כי אלמנטים מורכבים מחלקיקים קטנים במיוחד, המכונים אטומים. אבל הוא הרחיק לכת וקבע כי כל האטומים של אותו יסוד שווים, בעלי אותו גודל, אותה מסה ואותם תכונות כימיות, מה שגורם להם להישאר ללא שינוי במהלך תגובה כימית.

זהו המודל האטומי הראשון מבוסס מדעית. כמו היוונים, דלטון עדיין ראה באטום כבלתי ניתן לחלוקה, ולכן חסר מבנה. עם זאת, גאונותו של דלטון הובילה אותו לשמור על אחד מעקרונות השימור הגדולים של הפיזיקה:

• בתגובות כימיות האטומים לא נוצרים ולא נהרסים, הם רק משנים את תפוצתם.

והוא קבע את הדרך בה נוצרים תרכובות כימיות על ידי "אטומים מורכבים" (מולקולות):

• כאשר שניים או יותר אטומים של אלמנטים שונים משתלבים יחד ליצירת אותה תרכובת, הם תמיד עושים זאת בפרופורציות המוניות מוגדרות וקבועות.

המאה ה -19 הייתה המאה הגדולה של חשמל ומגנטיות. כמה שנים לאחר פרסומיו של דלתון, תוצאות ניסויים מסוימים מטילים ספק במדענים באשר לחלוקה לחלוקה של האטום.

צינור קרוקס

שפופרת הקרוקס הייתה מכשיר שתוכנן על ידי הכימאי והמטאורולוג הבריטי וויליאם קרוקס (1832-1919). הניסוי שקרוקס ביצע בשנת 1875, כלל הצבת, בתוך צינור מלא בגז בלחץ נמוך, שתי אלקטרודות, האחת נקראה הקתודה והשנייה נקראה האנודה.

על ידי קביעת הפרש פוטנציאל בין שתי האלקטרודות, הגז הזהר בצבע האופייני לגז ששימש. עובדה זו הציעה כי קיים אטום מסוים מסוים באטום, ולכן לא ניתן לחלוקה.

יתר על כן, קרינה זו הניבה פלואורסצנט חלש על דופן צינור הזכוכית לפני הקתודה, וגזרה את צל של סימן בצורת צלב שנמצא בתוך הצינור.

זו הייתה קרינה מסתורית המכונה "קרני הקתודה", שנסעה בקו ישר אל האנודה והייתה אנרגטית ביותר, בעלת יכולת לייצר אפקטים מכניים, ואליה הוסטה לכיוון צלחת טעונה חיובית או גם דרך מגנטים.

גילוי האלקטרון

הקרינה בתוך צינור קרוקס לא יכולה להיות גלים, מכיוון שהיא נשאה מטען שלילי. ג'וזף ג'ון תומסון (1856 - 1940) הגה את התשובה בשנת 1887 כשמצא את הקשר בין המטען והמסה של הקרינה הזו, וגילה שתמיד זהה: 1.76 x 10 ¹¹ צ"ק / ק"ג, ללא קשר לדלק כלול בצינור או בחומר המשמש לייצור הקתודה.

תומסון קרא לגופות חלקיקים אלה. על ידי מדידת המסה שלו ביחס למטען החשמלי שלו, הוא הגיע למסקנה שכל גופה קטנה בהרבה מאטום. לכן הוא הציע שהם צריכים להיות חלק מאלו, וכך יגלה את האלקטרון.

המדען הבריטי היה הראשון ששרטט דגם גרפי של האטום, על ידי רישום כדור עם נקודות מוכנסות, אשר בזכות צורתו זכה לכינוי "פודינג שזיף". אולם תגלית זו העלתה שאלות נוספות:

• אם החומר הוא ניטרלי, ולאלקטרון יש מטען שלילי: היכן באטום המטען החיובי שמנטרל את האלקטרונים?
• אם המסה של האלקטרון קטנה מזו של האטום, אז מה מורכב שאר האטום?
• מדוע החלקיקים הושגו כך תמיד אלקטרונים ולעולם לא מסוג אחר?

ניסויי פיזור של רתרפורד: הגרעין האטומי והפרוטון

עד שנת 1898 רתרפורד זיהה שני סוגים של קרינה מאורניום, אותם כינה אלפא ובטא.

רדיואקטיביות טבעית כבר התגלתה על ידי מארי קירי בשנת 1896. חלקיקי האלפא טעונים באופן חיובי והם פשוט גרעיני הליום, אך באותה תקופה הרעיון של גרעין עדיין לא היה ידוע. רתרפורד עמדה לגלות.

אחד הניסויים שערך רתרפורד ב -1911 באוניברסיטת מנצ'סטר, בסיועו של הנס גייגר, כלל הפצצת נייר כסף דק עם חלקיקי אלפא, שהמטען שלו חיובי. סביב נייר הכסף הזהב הניח מסך ניאון המאפשר להם לדמיין את השפעות ההפצצה.

תצפיות

Rutherford ועוזריו בחנו את ההשפעות על המסך הניאון, כי:

1. אחוז גבוה מאוד מחלקיקי האלפא עבר דרך הגיליון ללא סטייה מורגשת.
2. חלקם סטו בזוויות די תלולות
3. ומעט מאוד הקפיצו כל הדרך חזרה

ניסויי פיזור של רתרפורד. מקור:.

תצפיות 2 ו -3 הפתיעו את החוקרים והביאו אותם להניח כי האחראי לפיזור הקרניים חייב להיות בעל מטען חיובי וכי מתוקף התצפית מספר 1, אותו אחראי היה קטן בהרבה מזה של חלקיקי האלפא. .

רתרפורד עצמו אמר על כך שזה "… כאילו ירתם טיל ימי בגודל 15 אינץ 'על גיליון נייר והטיל ניתר לאחור והיכה אותך." בהחלט לא ניתן היה להסביר זאת על ידי מודל תומפסון.

תוך כדי ניתוח תוצאותיו מנקודת המבט הקלאסית, גילה רתרפורד את קיומו של הגרעין האטומי, בו התרכז המטען החיובי של האטום, מה שהעניק לו את נייטרליותו.

רתרפורד המשיך בניסויי הפיזור שלו. עד שנת 1918 היעד החדש לחלקיקי אלפא היה אטומי גז חנקן.

בדרך זו הוא זיהה גרעיני מימן וידע מיד שהמקום היחיד שממנו הגרעינים הללו יכולים להגיע הוא מהחנקן עצמו. איך ייתכן שגרעיני מימן היו חלק מחנקן?

לאחר מכן הציע רתרפורד כי גרעין המימן, יסוד שכבר הוקצה לו האטום מספר 1, חייב להיות חלקיק יסודי. הוא קרא לזה פרוטון, מילה יוונית לראשונה. לפיכך, תגליות הגרעין האטומי והפרוטון נובעות מניו זילנד מבריק זה.

המודל האטומי של רתרפורד מניח

הדגם החדש היה שונה מאוד מתומפסון. אלה היו המוצגים שלו:

• האטום מכיל גרעין טעון חיובי, שלמרות היותו קטן מאוד, מכיל כמעט את כל מסת האטום.
• אלקטרונים מקיפים את הגרעין האטומי במרחקים גדולים ובמעגלים מעגליים או אליפטיים.
• המטען נטו של האטום הוא אפס, שכן מטעני האלקטרונים מפצים על המטען החיובי הקיים בגרעין.

החישובים של רתרפורד הצביעו על גרעין עם צורה כדורית ורדיוס קטן כמו 10 ^-15 מ ', את הערך של הרדיוס האטומי להיות כ 100,000 פעמים גדולות יותר, שכן הגרעינים הם יחסית רחוק אחד מהשני: הצו של 10 ^-10 M.

ארנסט רתרפורד הצעיר. מקור: לא ידוע, פורסם בשנת 1939 ברוטרפורד: היות חייו ומכתביו של הר הכבוד לורד רות'רפורד, או. מ.

זה מסביר מדוע מרבית חלקיקי האלפא עברו בגליון בצורה חלקה או סבלו ממעט מאוד סטיה.

נראית בסולם האובייקטים היומיומיים, אטום רתרפורד היה מורכב מגרעין בגודל של בייסבול, ואילו הרדיוס האטומי יהיה בערך 8 ק"מ. לפיכך, ניתן לראות באטום כמעט בכל דבר כמרחב ריק.

בזכות דמיונו למערכת סולארית מיניאטורית, היא נודעה כ"מודל הפלנטרי של האטום ". כוח המשיכה האלקטרוסטטי בין גרעין לאלקטרונים יהיה מקביל למשיכה הכבידה בין השמש לכוכבי הלכת.

מגבלות

עם זאת, היו חילוקי דעות מסוימים ביחס לעובדות שנצפו:

• אם מתקבל הרעיון שהאלקטרון מקיף את הגרעין, קורה שהאלקטרון צריך לפלוט קרינה ברציפות עד שהוא יתנגש עם הגרעין, וכתוצאה מכך ההרס של האטום נמצא מתחת לשנייה. זה, למרבה המזל, זה לא מה שקורה בפועל.
• יתר על כן, בהזדמנויות מסוימות האטום פולט תדרים מסוימים של קרינה אלקטרומגנטית כאשר ישנם מעברים בין מצב של אנרגיה גבוהה יותר לאחד עם אנרגיה נמוכה יותר, ורק אותם תדרים, ולא לאחרים. איך להסביר את העובדה שהאנרגיה מכמתת?

למרות מגבלות אלה, מכיוון שכיום ישנם מודלים מתוחכמים בהרבה עם העובדות הנצפות, המודל האטומי של רתרפורד עדיין מועיל לתלמיד גישה ראשונה ומוצלחת לאטום ולחלקיקיו המרכיבים אותו.

במודל זה של האטום, הנויטרון אינו מופיע, מרכיב נוסף בגרעין, שלא התגלה עד שנת 1932.

זמן קצר לאחר שרתרפורד הציע את המודל הפלנטרי שלו, בשנת 1913 הפיזיקאי הדני נילס בוהר היה משנה אותו כדי להסביר מדוע האטום לא נהרס ואנחנו עדיין כאן כדי לספר את הסיפור הזה.

מאמרי עניין

המודל האטומי של שרדינגר.

מודל האטומי של דה ברוגלי.

המודל האטומי של צ'אדוויק.

מודל אטומי של הייזנברג.

המודל האטומי של פרין.

המודל האטומי של תומסון.

מודל אטומי של דיראק ירדן.

מודל אטומי של דמוקריטוס.

המודל האטומי של בוהר.

המודל האטומי של דלתון.

הפניות

1. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. הערות כיתה עבור יו"ר הרדיוביולוגיה וההגנה הרדיולוגית. בית הספר לבריאות הציבור של האוניברסיטה המרכזית בוונצואלה.