RUTHERFORDS ATOMMODELL: HISTORIA, EXPERIMENT, POSTULATER - FYSISK - 2025

Atommodellen Rutherford är beskrivningen av atomen som skapades av den brittiska fysikern Ernest Rutherford (1871-1937) som upptäcktes 1911 när atomkärnan genom de berömda spridningsförsöken som tar sitt namn.

Idén om atomen ("odelbar" på grekiska) som den minsta delen av materien, var en intellektuell skapelse som föddes i det antika Grekland, omkring 300 f.Kr. Liksom så många andra grekiska begrepp, utvecklas atomens koncept baserat på logik och argumentation, men inte experiment.

Rutherfords atommodell

De mest anmärkningsvärda atomistiska filosoferna var Democritus of Abdera (460 - 360 f.Kr.), Epicurus of Samos (341 - 270 f.Kr.) och Titus Lucretius (98 - 54 f.Kr.). Grekarna tänkte fyra olika typer av atomer som motsvarade de fyra elementen som enligt dem utgjorde materia: luft, vatten, jord och eld.

Senare skulle Aristoteles lägga till ett femte element: etern som bildade stjärnorna, eftersom de andra fyra elementen var rent markbundna.

Erobringarna av Alexander den store, av vilka Aristoteles var lärare, utvidgade sin tro över hela den forntida världen, från Spanien till Indien och i århundraden skapade idén om atomen sin egen plats i vetenskapens värld.

Atomen är inte längre odelbar

De grekiska filosofernas idéer om materiens struktur gällde i hundratals år, tills en engelsk kemist och skollärare vid namn John Dalton (1776-1844) publicerade resultaten av hans experiment 1808.

Dalton enades om att element består av extremt små partiklar, kallade atomer. Men han gick vidare genom att säga att alla atomer i samma element är lika, har samma storlek, samma massa och samma kemiska egenskaper, vilket gör att de förblir oförändrade under en kemisk reaktion.

Detta är den första vetenskapligt baserade atommodellen. Liksom grekerna betraktade Dalton fortfarande atomen som odelbar och därför saknade struktur. Daltons geni ledde emellertid till honom att följa en av fysikens stora bevarandeprinciper:

• Vid kemiska reaktioner skapas eller förstörs inte atomer, de ändrar bara deras distribution.

Och han fastställde hur kemiska föreningar bildas av "sammansatta atomer" (molekyler):

• När två eller flera atomer av olika element kombineras för att bilda samma förening, gör de det alltid i definierade och konstanta massproportioner.

1800-talet var det stora århundradet med elektricitet och magnetism. Några år efter Daltons publikationer slår resultaten av vissa experiment tvivel på forskare om atomen är odelbar.

Crookes rör

Crookes-röret var en anordning designad av den brittiska kemisten och meteorologen William Crookes (1832-1919). Experimentet som Crookes genomförde 1875 bestod av att placera, inuti ett rör fyllt med gas vid lågt tryck, två elektroder, en kallad katoden och den andra kallad anoden.

Genom att fastställa en potentialskillnad mellan de två elektroderna glödde gasen med en färg som var karakteristisk för den använda gasen. Detta faktum antydde att det fanns en viss organisation inom atomen och att den därför inte var odelbar.

Vidare gav denna strålning en svag fluorescens på glasrörets vägg framför katoden, vilket skar ut skuggan av ett korsformat märke beläget inuti röret.

Det var en mystisk strålning känd som "katodstrålar", som färdades i en rak linje till anoden och var mycket energisk, kapabel att producera mekaniska effekter, och som avleds mot en positivt laddad platta eller också genom magneter.

Upptäckten av elektronen

Strålningen inuti Crookes-röret kunde inte vara vågor, eftersom det medförde en negativ laddning. Joseph John Thomson (1856 - 1940) kom med svaret 1887 när han hittade förhållandet mellan laddningen och massan av denna strålning, och fann att det alltid var detsamma: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, oavsett gas inneslutet i röret eller materialet som används för att tillverka katoden.

Thomson kallade dessa partiklar kroppar. Genom att mäta sin massa i förhållande till dess elektriska laddning drog han slutsatsen att varje korpuskel var mycket mindre än en atom. Därför föreslog han att de skulle vara en del av dessa och därmed upptäcka elektronen.

Den brittiska forskaren var den första som skissade en grafisk modell av atomen genom att rita en sfär med insatta punkter, som på grund av sin form fick smeknamnet "plum pudding". Men denna upptäckt väckte andra frågor:

• Om materien är neutral och elektronen har en negativ laddning: var i atomen är den positiva laddningen som neutraliserar elektronerna?
• Om elektronens massa är mindre än atomen, vad består då resten av atomen av?
• Varför erhöll partiklarna sålunda alltid elektroner och aldrig av någon annan typ?

Rutherford-spridningsexperiment: atomkärnan och protonen

År 1898 hade Rutherford identifierat två typer av strålning från uran, som han kallade alfa och beta.

Naturlig radioaktivitet hade redan upptäckts av Marie Curie 1896. Alfapartiklar är positivt laddade och är helt enkelt heliumkärnor, men vid den tiden var begreppet kärna ännu inte känt. Rutherford skulle ta reda på det.

Ett av experimenten som Rutherford genomförde 1911 vid University of Manchester, med hjälp av Hans Geiger, bestod av att bombardera en tunn guldfolie med alfapartiklar, vars laddning är positiv. Runt guldfolien placerade han en lysrör som gjorde att de kunde visualisera effekterna av bombardemanget.

observationer

Rutherford och hans assistenter studerade effekterna på den lysrörsskärmen och observerade att:

1. En mycket hög andel alfapartiklar passerade genom arket utan märkbar avvikelse.
2. Vissa avvikade i ganska branta vinklar
3. Och mycket få studsade hela vägen tillbaka

Rutherford spridningsförsök. Källa:.

Observationer 2 och 3 överraskade forskarna och ledde dem till att anta att den ansvariga för strålningens spridning måste ha en positiv laddning och att den ansvariga personen i kraft av observation nummer 1 var mycket mindre än alfapartiklarna. .

Rutherford själv sa om det att det var "… som om du avfyrade en 15-tums marinprojektil på ett pappersark och projektilen hoppade tillbaka och slog dig." Detta kunde definitivt inte förklaras av Thompson-modellen.

Analysera hans resultat från klassisk synvinkel hade Rutherford upptäckt existensen av atomkärnan, där den positiva laddningen av atomen koncentrerades, vilket gav den dess neutralitet.

Rutherford fortsatte sina spridningsexperiment. År 1918 var det nya målet för alfapartiklar kvävgasatomer.

På detta sätt upptäckte han vätekärnor och visste omedelbart att det enda stället från vilka dessa kärnor kunde komma var från kväve själv. Hur var det möjligt att vätekärnor var en del av kväve?

Rutherford föreslog sedan att vätekärnan, ett element som redan hade tilldelats atom nummer 1, måste vara en grundläggande partikel. Han kallade det proton, ett grekiskt ord för det första. Således är upptäckterna av atomkärnan och protonen beroende på denna lysande Nya Zeelander.

Rutherfords atommodeller postulerar

Den nya modellen var mycket annorlunda än Thompson. Dessa var hans postulater:

• Atomen innehåller en positivt laddad kärna, som trots att den är väldigt liten, innehåller nästan hela atomens massa.
• Elektroner kretsar om atomkärnan på stora avstånd och i cirkulära eller elliptiska banor.
• Atomens nettoladdning är noll, eftersom elektronernas laddningar kompenserar för den positiva laddningen som finns i kärnan.

Rutherfords beräkningar pekade på en kärna med en sfärisk form och en radie så liten som 10 ^-15 m, varvid värdet på atomradie är cirka 100 000 gånger större, eftersom kärnorna är jämförelsevis långt ifrån varandra: i storleksordningen ^10-10 m.

Unga Ernest Rutherford. Källa: Okänd, publicerad 1939 i Rutherford: är liv och bokstäver från Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Detta förklarar varför de flesta alfapartiklar passerade smidigt genom arket eller endast hade mycket liten avböjning.

Sett på skalan från vardagsföremål skulle Rutherford-atomen bestå av en kärna på grund av en baseboll, medan atomradien skulle vara cirka 8 km. Därför kan atomen betraktas som nästan allt som tomt utrymme.

Tack vare dess likhet med ett miniatyr solsystem, blev det känt som "planetens modell av atomen." Den elektrostatiska attraktionskraften mellan kärnan och elektronerna skulle vara analog med gravitationsattraktionen mellan solen och planeterna.

begränsningar

Men det fanns vissa oenigheter om vissa observerade fakta:

• Om idén att elektronen kretsar runt kärnan accepteras, händer det att elektronen kontinuerligt ska avge strålning tills den kolliderar med kärnan, med den följaktligen förstörda atomen på mycket mindre än en sekund. Detta är lyckligtvis inte vad som faktiskt händer.
• Vidare avger atomen vid vissa tillfällen vissa frekvenser av elektromagnetisk strålning när det finns övergångar mellan ett tillstånd av högre energi till en med lägre energi, och endast de frekvenserna, inte andra. Hur förklarar det faktum att energi är kvantiserat?

Trots dessa begränsningar, eftersom det i dag finns mycket mer sofistikerade modeller i linje med de observerade fakta, är Rutherfords atomodell fortfarande användbar för studenten att ha en första framgångsrik strategi för atomen och dess beståndsdelar.

I denna modell av atomen visas neutronen inte, en annan del av kärnan, som inte upptäcktes förrän 1932.

Strax efter att Rutherford föreslog sin planetmodell, skulle den danska fysikern Niels Bohr 1913 modifiera den för att förklara varför atomen inte förstörs och vi är fortfarande här för att berätta denna historia.

Artiklar av intresse

Schrödingers atomodell.

De Broglie atommodell.

Chadwicks atommodell.

Heisenberg atommodell.

Perrins atommodell.

Thomsons atommodell.

Dirac Jordan atommodell.

Atomisk modell av Democritus.

Bohrs atomodell.

Daltons atommodell.

referenser

1. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Klassanteckningar för ordföranden för radiobiologi och radiologiskt skydd. School of Public Health vid Central University of Venezuela.