Модели атома томсона и резерфорда кратко

Обновлено: 05.07.2024

АТОМНАЯ ФИЗИКА

Элементы квантовой физики атомов и молекул

Теория атома водорода по Бору

§1 Модель атома Томсона и Резерфорда

Учение об атомном строении вещества возникло в античные времена. Однако, до конца XIX века атом считался элементарной неделимой первоосновой (“кирпичиком ”) любого вещества.

В середине XIX века экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества. (В 1749 году Бенджамин Франклин высказал гипотезу, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию. Центральную роль электрической материи он отводил представлению об атомистическом строении электрического флюида. В работах Франклина впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества.

Вильгельм Вебер в своих работах с 1846 года вводит понятие атома электричества и гипотезу, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления.

В 1905 г. Была предложена Дж. Дж. Томсоном (лорд Кельвин) первая модель атома, согласно которой атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиуса ~ 10 -10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален (модель атома Томсона называют “булочкой с изюмом” или “пудинг с изюмом”).

Э. Резерфорд в 1909 г. Провел эксперименты по прохождению α - частиц сквозь тонкие металлические пластинки золота и платины. (α-частицы возникают при радиоактивных превращениях. Заряд α - частицы равен двум зарядам электрона: q_α = 2 e = 2·1,6·10 -19 Кл , масса четырем массам протона : m_α = 4 m_p = 4·1,67·10 -27 кг). α - частицы испускались радием, помещенным внутри свинцовой полости с каналом так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок попадал на фольгу из золота перпендикулярно её поверхности. α - частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею вызывали вспышки (сцинтилляции) на флуоресцирующем экране.

Опыты показали, что в большинстве случаев α – частицы после прохождения через фольгу сохраняли прежнее направление или отклонялись на очень малые углы. Однако некоторые α – частицы (приблизительно одна из 20 000) отклонялись на большие углы, порядка 135 ÷ 150°. Т.к. электроны не могут существенно изменять движение α – частицы ( ), то Э. Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре – области занимающей весьма малый объём по сравнению со всем объёмом атома. Остальная часть атома представляет собой облако отрицательно заряженных электронов, полный заряд которых равен положительному заряду ядра. Эта модель атома была предложена Резерфордом в 1911 г. и получила название планетарной модели атома, т.к. она напоминает солнечную систему: в центре системы находится “солнце”- ядро, а вокруг него по орбитам движутся “планеты” – электроны.

Недостатки модели Э. Резерфорда:

а) Электроны в атомной модели не могут быть неподвижными, т.к. под действием силы Кулона они бы притянулись (и ”упали бы”) к ядру. В этой модели существует бесконечно много значений радиусов орбит электрона и соответствующих им значений скорости

Откуда следует, что радиус и скорость может изменяться непрерывно. Следовательно, может испускаться любая порция энергии, и, следовательно, спектр атома должен быть сплошным. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатые спектры.

б) При r ≈10 -10 м v ≈ 10 6 м/с и Согласно электродинамике, электроны, движущиеся с ускорением, должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. И тогда, электрон будет по спирали приближаться к ядру, и через τ ≈ 10 -10 с упасть на него. С другой стороны, частота излучения должна непрерывно изменяться вследствие изменения r , v , T . Следовательно, атом будет давать непрерывный спектр.

Попытки построить модель атома с использованием законов классической механики, электричества и оптики привели к противоречию с экспериментальными данными:

модель - а) неустойчивость атома; б) сплошной спектр;

эксперимент - а) атом устойчив; б) излучает при определенных условиях; в) линейчатый спектр.

§2 Линейчатый спектр атома водорода.

Формула Бальмера - Ридберга

Светящиеся газы дают линейчатые спектры испускания, состоящие из отдельных спектральных линий. Когда свет проходит через газы возникают линейчатые спектры поглощения – каждый атом поглощает те спектральные линии, которые сам может испускать.

Спектр – совокупность гармонических составляющих или длин волн. Например, если волна может быть представлена в виде суперпозиции двух волн с частотами ω₁ и ω₂, то говорят, что спектр имеет две составляющие или две линии с λ₁ и λ₂. Спектры бывают:

а) линейчатые – у атомов и простых молекул разряженных газов; полосатые - - сложные молекулы; сплошные – нагретые твердые тела и жидкости;

б) испускания- при электрическом газовом разряде, при нагреве твердых тел и др.; поглощения – свет проходит через газы, жидкости и твердые тела и при этом каждый атом поглощает те спектральные линии, которые сам может испускать;

в) дисперсионные (призматические) – получаются при разложении белого света на призме; дифракционные – при разложении на дифракционной решетке;

г) атомным – спектр, полученный на атомах (например, разряд в газах); молекулярным (полосатым) – имеет вид полос, образованных близко расположенными спектральными линиями

1) колебательными -> ДИК (дальняя инфракрасная область λ = 0,1 ÷ 1 мм);

2) вращательными - > ИК λ = 1 ÷ 10 мкм;

3) электронно – колебательными (видимая и УФ область спектра λ = 0,3 мкм и выше);

Первым был изучен спектр самого простого элемента – атома водорода. Бальмер в 1885 г. установил, что длины волн известных в то время девяти линий спектра водорода могут быть вычислены по формуле

И. Ридберг (шведский ученый) предложил иную форму записи

- формула Бальмера – Ридберга.

R’ = 10973731 м -1 – постоянная Ридберга (R’ = 1,1·10 7 м -1 ),

т.к. , то можно записать

где R = R ’ c = 3,29·10 15 c -1 – то же постоянная Ридберга.

Формула Бальмера – Ридберга впервые указала на особую роль целых чисел в спектральных закономерностях.

В настоящее время известно большое число спектральных линий водорода, длины волн которых с большой степенью точности удовлетворяют формуле Бальмера – Ридберга. Из формулы Бальмера – Ридберга видно, что спектральные линии, отличающиеся различными значениями n , образуют группу или серию линий, называемую серией Бальмера. С ростом n спектральные линии серии сближаются друг с другом.

Серия Бальмера расположена в видимой части спектра, поэтому была обнаружена первой.

В начале XX века в спектре атома водорода было обнаружено ещё несколько серий в невидимых частях спектра.

Первая попытка создания модели атома была предпринята Дж. Томпсоном. Он полагал, что атом – это электронейтральная система формы шара с радиусом 10 - 10 м . На рисунке 6 . 1 . 1 . показано, как одинаково распределяется положительный заряд атома, причем отрицательные электроны располагаются внутри него. Чтобы получить объяснение линейчатых спектров атомов, Томпсон тщетно пытался определить расположение электронов в атоме, для расчета частоты их колебаний в положении равновесия. Спустя время Э. Резерфорд доказал, что заданная Томсоном модель была неверна.

Рисунок 6 . 1 . 1 . Модель Дж. Томпсона.

Электроны в атоме. Опыты Резерфорда и Томпсона

Внутренняя структура атомов была исследована Э. Резарфордом, Э. Марсденом, Х. Гейгером еще в 1909 - 1911 годах. Было применено зондирование атома α -частицами, возникающими во время радиоактивного распада радия и других элементов. Их масса в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равняется удвоенному элементарному заряду.

В опытах Резерфорда были использованы α -частицы, имеющие кинетическую энергию 5 М э в .

Альфа-частицы – это ионизированные атомы гелия.

Рисунок 6 . 1 . 2 . Схема опыта Резерфорда по рассеянию α -частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Радиоактивный источник, заключенный в свинцовый контейнер, располагается таким образом, что
α -частицы направляются от него к тонкой металлической фольге. Рассеянные частицы попадают на экран со слоем кристаллов сульфида цинка, светящиеся от их ударов. Сцинтилляции (вспышки) можно наблюдать при помощи микроскопа. Угол φ к первоначальному направлению пучка не имеет ограничений для данного опыта.

После испытаний было выявлено, что α -частицы, проходящие через тонкий слой металла, не испытывали отклонений. Наблюдались их отклонения и на углы, превышающие 30 градусов и близкие к 180 .

Модели атомов Томпсона и Резерфорда

Результат Резерфорда противоречил модели Томпсона, так как положительный заряд не был распределен по всему объему атома. Согласно модели Томпсона, заряд не имеет возможности создавать сильное электрическое поле, которое впоследствии отбросит α -частицы. Такое поле однородно заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля к центру.

При уменьшении радиуса шара с положительным зарядом атома максимальная сила отталкивания, действующая на α -частицы, по закону Кулона увеличилась бы в n 2 раз.

Если размеры α -частиц достаточно большие, тогда рассеивание может достичь угла в 180 градусов.

Резерфорд пришел к выводу, что пустота атома связана с наличием положительного заряда, сосредоточенного в малом объеме. Данная часть была названа атомным ядром.

Далее возникла ядерная модель атома, показанная на рисунке 6 . 1 . 3 .

Рисунок 6 . 1 . 3 . Рассеяние α -частицы в атоме Томсона ( a ) и в атоме Резерфорда ( b ) .

Резерфорд выяснил, что центр атома имеет положительно заряженное ядро с диаметром 10 - 14 - 10 - 15 м . Оно занимает 10 - 12 полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и около 99 , 95 % его массы. Вещество, входящее в состав атома, предполагало наличие плотности p ≈ 10 15 г / с м 3 , а заряд ядра равнялся суммарному заряду электронов. Было установлено, что при взятии за 1 значение заряда электрона, заряд ядра равнялся числу из таблицы Менделеева.

Планетарная модель

Опыты Резерфорда приводили к радикальным выводам и сомнениям ученых. Используя классическое представление о движении микрочастиц, он предлагает планетарную модель атома. Ее смысл заключался в том, что центр атома состоит из положительно заряженного ядра, которое является основной частью массы элементарной частицы. Атом считается нейтральным. При наличии кулоновских сил вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны, как показано на рисунке 6 . 1 . 4 . Электроны всегда находятся в состоянии движения.

Рисунок 6 . 1 . 4 . Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

Предложенная Резерфордом планетарная модель была толчком в развитии знаний о строении атома. Благодаря ей, опыты по рассеиванию α -частиц смогли объяснить. Но вопрос об его устойчивости остался открытым. Исходя из закона классической электродинамики, заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны, забирающие и распределяющие энергию. За время 10 - 8 с все электроны потратить всю энергию, вследствие чего упасть на ядро. Так как это не происходит, есть объяснение – внутренние процессы не выполняются согласно классическим законам.

Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, присущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом.

Модель Томсона

Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1 ).

Рис. 1. Модель атома Томсона

Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.

Опыты Резерфорда

Резерфорд говорил об -частицах как об ионах гелия; сейчас мы знаем, что это ядра гелия.

Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов!

Каково же было всеобщее удивление, когда такие частицы обнаружились! Да, как и следовало ожидать, подавляющая доля -частиц отклонялась несущественно. Но совсем небольшая их часть (примерно одна частица из нескольких тысяч) отклонялась на угол, больший (рис. 2 ).

Рис. 2. Рассеяние -частиц на атомах

Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, дело выглядело так, словно артиллерийский снаряд налетел на кусок бумаги и от удара повернул назад.

Расчёты, однако, показывают, что такое поле оказывается слишком слабым — его тормозящего действия никак не хватит для того, чтобы остановить -частицу и отбросить её назад!

Таким образом, наличие -частиц, отброшенных фольгой, опровергло модель Томсона. Что же было предложено взамен?

Планетарная модель атома

Чтобы отбросить -частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома.

Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд занимает область размером , то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом

Зная кинетическую энергию -частицы, можно найти величину тормозящего потенциала , а затем и размер положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, дали следующий результат:

Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3 ).

Рис. 3. Планетарная модель атома

В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.

Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.

Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.

Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!

Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объяснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию -частиц, оказалась лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к одному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий листок!

Разница между томсоновской и резерфордской моделью атома - Разница Между

Содержание:

Главное отличие - модель атома Томсона и Резерфорда

Модель атома Томсона является одной из самых ранних моделей, описывающих структуру атомов. Эта модель также известна как модель сливового пудинга из-за его сходства со сливовым пудингом. Это объясняет, что этот атом представляет собой сферическую структуру, состоящую из положительно заряженного твердого материала, и электроны встроены в это твердое вещество. Но эта модель была отвергнута после открытия атомного ядра. Резерфордская модель атома описывает атомное ядро и расположение электронов в атоме. Было предложено, кто описал, что атом состоит из центрального твердого ядра, которое заряжено положительно, и электроны расположены вокруг этого твердого ядра. Однако эта модель также была отвергнута, поскольку не могла объяснить, почему электроны не притягиваются к ядру. Основное различие между моделью атома Томсона и Резерфорда состоит в том, что Модель Томсона не дает подробностей об атомном ядре, тогда как модель Резерфорда объясняет о ядре.

Ключевые области покрыты

1. Что такое модель атома Томсона
- определение, модель, недостатки
2. Что такое модель атома Резерфорда
- определение, модель, недостатки
3. Чем отличается модель атома Томсона от Резерфорда?
- Сравнение основных различий

Ключевые слова: альфа-частицы, атом, электрон, эксперимент с золотой фольгой, ядро, модель сливового пудинга, модель атома Резерфорда, модель атома Томсона

Что такое модель атома Томсона

Томсоновская модель атома описывается на основе трех основных фактов:

Атомы состоят из электронов.
Электроны являются отрицательно заряженными частицами.
Атомы заряжены нейтрально.

Рисунок 1: модель атома Томсона

Томсон предположил, что, поскольку электроны заряжены отрицательно, а атомы заряжены нейтрально, в атоме должен быть положительный заряд, чтобы нейтрализовать отрицательный заряд электронов. Он предположил, что атом представляет собой твердую, положительно заряженную, сферическую структуру, и электроны встроены в эту сферу. Поскольку эта структура выглядит как пудинг с разбросанными на нем сливами, она была названа структурой атома из сливового пудинга. Однако эта структура была отвергнута после открытия атомного ядра.

Недостатки Томсона Модель Атома

Нет подробностей об атомном ядре.
Никаких подробностей об атомных орбиталях.
Никаких объяснений про протоны или нейтроны.
Указывает, что атом имеет равномерное распределение массы, что неправильно.

Что такое модель атома Резерфорда

Резерфордская модель атома описывает, что атом состоит из атомного ядра и электронов, окружающих ядро. Эта модель вызвала отказ от томсоновской модели атома. Модель Резерфорда была предложена Эрнстом Резерфордом после открытия атомного ядра.

Эксперимент с золотой фольгой был использован Резерфордом для предложения этой атомной модели.В этом эксперименте альфа-частицы бомбардировались через золотую фольгу; они должны были пройти прямо через золотую фольгу. Но вместо прямого проникновения альфа-частицы поворачивались в разные стороны. Этот эксперимент показал, что в середине атома находится положительно заряженный твердый материал, в то время как остальная часть атома имеет больше пустого пространства. Это твердое ядро было названо ядром.

Рисунок 2: Атомная модель Резерфорда

Согласно этой модели,

Атом состоит из положительно заряженного центра, который называется ядром. Этот центр содержал массу атома.
Электроны расположены вне ядра на орбиталях на значительном расстоянии.
Количество электронов равно количеству положительных зарядов (позже называемых протонами) в ядре.
Объем ядра незначителен по сравнению с объемом атома. Следовательно, большая часть пространства в атоме пуста.

Недостатки Резерфордской модели атома

Позднее модель Резерфорда также была отклонена, поскольку она не могла объяснить, почему положительно заряженные ядра и электроны не притягиваются друг к другу.

Разница между томсоновской и резерфордской моделью атома

Определение

Модель атома ТомсонаМодель Томсона утверждает, что электроны заключены в положительно заряженный твердый материал сферической формы.

Модель Атома Резерфорда: Резерфордская модель атома описывает, что атом состоит из атомного ядра и электронов, окружающих ядро.

Модель атома ТомсонаМодель Томсона атома не дает никаких подробностей об атомном ядре.

Модель Атома Резерфорда: Резерфордская модель атома объясняет об атомном ядре.

Электроны

Модель атома Томсона: Модель атома Томсона утверждает, что электроны заключены в твердом материале.

Модель Атома Резерфорда: Модель атома Резерфорда утверждает, что электроны расположены вокруг центрального твердого материала.

Форма атома

Модель атома Томсона: Томсоновская модель атома указывает на то, что атом представляет собой сферическую структуру.

Модель Атома Резерфорда: Модель атома Резерфорда указывает, что атом имеет центральное твердое ядро, окруженное электронами.

Заключение

Модель атома Томсона и модель атома Резерфорда представляют собой две модели, предложенные Дж.Дж. Томсоном и Эрнестом Резерфордом соответственно для объяснения структуры атома. Основное различие между моделью атома Томсона и Резерфорда состоит в том, что модель Томсона не дает подробностей об атомном ядре, тогда как модель Резерфорда объясняет о ядре.