Реферат на тему резерфорд и его опыты

Обновлено: 02.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ. НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Опыты Резерфорда

Выполнил: Кузнецов И.А. (группа 226)

Проверил: Берхоер Л.Д.

Новосибирск 2000 г.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит ДЖ. ДЖ. Томсону. Электроны, как думал Томсон, вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10–8 см., в которой равномерно распределены положительные заряды. Вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически нейтральна. Это и есть атом. В то время так думал и Резерфорд, работавший в одной лаборатории с Томсоном, и даже не мечтал, что сможет создать более совершенную модель, основанную на новых представлениях.

В 1896 г , изучая люминесценцию различных веществ, А.Беккерель случайно обнаружил, что соли урана излучают без предварительного их освещения. Это излучение обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд тотчас занялся изучением Беккерелиевых лучей. Он начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами. Эта мысль пришла к нему в голову по очень простой причине: и те и другие производили ионизацию воздуха. Эта идея не увенчалась успехом.

Но наиболее важным результатом Резерфорда было открытие -частиц в составе излучения, испускаемого ураном. Резерфорд поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил излучение на три различных его вида. Иными словами, он открыл тогда состав радиоактивности: альфа– и бета–частицы и гамма-лучи.

Получив -частицы, Резерфорд тотчас же сделал гениальное заключение, что именно они представляют собой мощный инструмент для проникновения в глубь атома. Как подтвердилось позднее, это было абсолютно правильно. В последующих работах Резерфорд широко использовал -астицы в качестве снарядов, проникающих в сердце атома – атомное ядро.

Резерфорд открыл эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выделяющийся из тория, представляет собой химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее он определил атомный вес эманации и показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы системы Д.И.Менделева.

Резерфорд и Фредерик Содди впервые объясняют радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Ученица 11 класса

Ядерная модель атома. 9

В нашем веке физику все стали рассматривать каждый по – своему. Ведь, если подумать, то отличие современного общества от того что было ранее, напрямую зависит от физических открытий. Например, исследования электромагнетизма. Подобные прорывы в науке привели к возникновению телефона. Так, если завести речь об автомобиле, то он возник благодаря термодинамике. Компьютер возник вследствие развития электроники.

Подобные процессы не стоят на месте, а лишь усовершенствуются. Новые открытия способствуют улучшению промышленности и техники. Следует задуматься о новых загадках природы, которые требуют объяснения. В этом поможет – физика.

Конечно, не смотря на то, что наука зашла слишком далеко, невозможно объяснить с первого раза все явления природы. Основы физических исследований и методов разрабатываются тщательно, исходя из накопленных знаний.

Аристотель Существует: экспериментальная и теоретическая физика. Если рассмотреть экспериментальную, то теории и законы опираются только на данные после исследований.

Области физики многогранны и тем самым интересны. При классической механике верным будет решение, если атомы меньше чем размеры исследуемых объектов. Важно, чтобы гравитационные силы были малы и чтобы скорость объектов была меньше скорости света.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 г. в деревне Спринг Гроув близ г. Нельсона, Новая Зеландия, в семье фермера Джеймса Резерфорда и его жены Марты Томсон .

В детстве Эрнест ходит в школу г. Хэвлок, по окончании которой продолжает учёбу в колледже в г. Нельсоне. Он усердно трудится, чтобы поступить в Кентерберийский колледж, бывший подразделением Университета Новой Зеландии.

Там он получает высшее образование, защищая звания бакалавра и магистра в области гуманитарных наук, а также бакалавра естественных наук, после чего, на протяжении двух лет, увлечённо занимается исследованиями в области электротехники. В 1895 г. он отправляется в Англию для повышения уровня образования, где с 1895 г. по 1898 г. трудится в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете.

В 1898 г. Резерфорд переходит на должности профессора физики в Университете МакГилла и в 1908 г. Получает Нобелевскую премию в области химии.

В 1899 г., он вводит понятия альфа- и бета-частиц.

В 1900 г. в Университете Новой Зеландии он получает степень доктора наук..

Резерфорд открывает и точно описывает, что радиация является следствием спонтанного разложения атомов.

В 1907 г. Резерфорд, вместе с Томасом Ройдсом, проводит химический опыт, заключающийся в прохождении альфа-лучей через узкое окно в вакуумную трубку.

В 1909 г. объединяет усилия с Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом и проводит опыт Гейгера-Марсдена, нацеленный на обнаружение и наглядную демонстрацию истинной ядерной природы атомов. Истолкование и результаты этого эксперимента в 1911 г. выливаются в представление модели атома Резерфорда. Согласно его теории, даже маленькое положительно заряженное ядро имеет вращающиеся вокруг него электроны. В 1919 г. Резерфорд отправляется в Кавендишскую лабораторию, где проводит (первым в истории) опыт по трансмутации одного вещества в другое, превратив с помощью ядерной реакции азот в кислород.

В 1932 г. эту теорию существования нейтронов доказывает Джеймс Чедвик, получивший в 1935 г. Нобелевскую премию в области физики за это открытие.

В 1900 г. Резерфорд женится на Марии Георгине Ньютон. У них рождается дочь, Эйлин Мария.

ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух. При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад. Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона: где qα — заряд α-частицы; q - положительный заряд атома; R — его радиус; k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая α-частицы. Определение размеров атомного ядра Резерфорд понял, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. На рисунке показаны траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра. Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10—10 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 см, т. е. в 10—100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Один из самых знаменитых физиков первой половины XX в. - Эрнест Резерфорд. Когда-то он первый анатомировал атом и обнаружил в нем ядро. К нему можно отнести исследования сложных явлений, протекающих в этой чрезвычайно маленькой частице вещества, а впоследствии он в своей лаборатории расщепил ядра атомов.

Когда он еще был студентом 2-го курса университета, на одной из конференций Резерфорд выступил с докладом на тему “Эволюция элементов”. Было высказано предположение, что каждый химический элемент представляет сложную химическую систему, содержащую одни и те же элементарные частицы. Это было на тот момент, когда все считали, что атом неделим – в физике господствовала теория Дальтона о неделимости атомов.

На основе накопленных экспериментальных данных, первая попытка создания модели атома принадлежит ДЖ. ДЖ. Томсону. Томсон думал, что электроны вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10 –8 см., а в сфере распределены равномерно положительные заряды, однако вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически вообщем-то нейтральна - это и есть атом. На тот момент Резерфорд думал также. Он работал в одной лаборатории с Томсоном, и даже не думал о создании более совершенную модель, основанную на новых представлениях.

А.Беккерель, изучая люминесценцию различных веществ, в 1896 г., случайно обнаружил, что соли урана без предварительного освещения производят излучение, которое обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд заинтересовался данным явлением и сразу же занялся изучением Беккерелиевых лучей. Так как и рентгеновские и беккерелиевы лучи производили ионизацию воздуха, то он начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между ними. Результат был далек от успешного.

Но самым важным было то, что Резерфорд открыл частицы в составе излучения, испускаемого ураном, он поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил на три различных вида излучение. То есть, тогда он открыл состав радиоактивности: альфа– и бета–частицы, а также гамма-лучи.

В результате этого Резерфорд мгновенно сделал гениальное заключение, что именно с помощью них можно проникнуть в глубь атома. Это было абсолютно правильно, что и подтвердилось немного позднее.

Резерфорд широко применял частицы в последующих исследованиях в качестве снарядов, проникающих атомное ядро – сердце атома.

Этот великий физик открыл и доказал эманацию тория. Он объяснил, что этот радиоактивный газ, который выделяется из тория – это химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее ним же был определен атомный вес эманации и Резерфорд показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы системы Д.И.Менделева.

Впервые объясняли радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие Резерфорд и Фредерик Содди. После эманации тория Резерфорд была открыта эманация радия – радон. Он понял, что радий, испуская частицы, перевоплощается в новое активное вещество, сходно с эманацией тория. Это послужило окончательным доказательством теории радиоактивного распада.

В результате опытов Резерфорд в начале 1903 года пытается выяснить химический состав этих частиц. Его замысел состоит в том, чтобы сравнить массу такой частицы с массами атомов известных элементов. Данное исследование позволило ему первому идентифицировать частицы с атомами гелия. Далее это было подтверждено и спектрографически.

В 1908 году Резерфорд прибегнул к помоши сцинтилляционного счетчика Гейгера для широких опытов по исследованию частиц методом подсчета.

Вместе с Гейгером и Ройдсом Резерфорд произвел серию опытов, подтверждавших, что ; -частицы есть ничто иное как дважды ионизированные (т.е. потерявшие по 2 электрона) атомы гелия. Этот исторический опыт, благодаря которому уже ни у кого не могло остаться сомнения в правильности его теории распада, заключался в следующем:

в запаянную трубку 2 Резерфорд поместил некоторое количество радона – эманации радия. Толщина стенок этой трубки 0,01 мм. Они достаточно тонки, чтобы испускаемые радоном ; -частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед опытом трубка 3 тщательно откачивалась, и в ней спектрографическим путем нельзя было обнаружить линий гелия. Через несколько дней в трубке 3 обнаружилось накопление газа. Повышая давление в приборе, накопившийся газ можно было сконцентрировать в трубке 1. Через трубку пропускался электрический заряд и тогда оказывалось, что в ней спектральный анализ показывает характерные линии гелия. В трубке был гелий. Но может быть он попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда проник в трубки 3 и 1? Контрольный опыт дал на этот вопрос отрицательный ответ. Точно в такой же прибор (в трубку 2) Резерфорд помещал не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 линии гелия не обнаруживались. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3. ; -частицы же легко проходили через стекло и накапливались в трубке 3, а затем концентрировались в трубке 1, где и подвергались спектральному анализу, давая линии гелия.

После этого Резерфорд, вместе с Гейгером и Марсденом провели новую серию экспериментов. Результаты произвели переворот в физике. Это была наиболее драматическая глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро и тем самым основал новую исключительно важную науку – ядерную физику.

Что это были за эксперименты? Резерфорд и Гейгер на первых порах продолжили наблюдения сцинтилляций, вызываемых ; -частицами при ударе о люминесцентный экран из сернистого цинка. Прежде всего опыты привели Резерфорда к заключению, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызывается одной ; -частицей. Таким образом оправдалось предположение, выдвинутое им ранее. Резерфорд писал тогда, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка представляет собой очень удобный способ счета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Следовательно, если каждая вспышка вызвана одной ; -частицей, то перед физиками открывается возможность наблюдать за поведением отдельных атомов.

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в продолжение секунды из излучателя в одну тысячную грамма радия вылетает 130 000 ; -частиц. Точность подсчета была безукоризненна. Оба ученых, к которым позднее присоединился Марсден, помногу часов проводили в затемненной лаборатории за утомительным счетом сцинтилляций. Гейгер рассказывал, что ему одному пришлось подсчитать в общей сложности миллион ; -частиц.

Свою работу начал ученик Резерфорда Марсден. Ему было поручено считать ; -частицы, проходящие через тонкие металлические пластинки. Эти пластинки помещались в прибор между излучателем ; -частиц и люминесцентным экраном.

Поручая Марсдену эту работу, Резерфорд не рассчитывал обнаружить что=либо любопытное. При условии, что модель атома Томсона правильна (а тогда не было никаких причин сомневаться в этом), опыт должен был показать, что ; -частицы свободно проходят через металлические преграды. Однако что-то все-таки заставило Резерфорда пойти на этот новый эксперимент.

Марсдена поразило, что ; -частицы в этом простом опыте ведут себя иначе, чем должны вести, если принять модель атома такой, какой ее предложил Томсон. Согласно модели Томсона положительный заряд распределен по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет массу гораздо меньшую, чем масса ; -частицы. Поэтому даже в редких случаях, когда ; -частица столкнется с гораздо более легким по сравнению с ней электроном, она может лишь незначительно отклониться от своего прямолинейного пути. Но в опытах Марсдена ; -частицы отнюдь не беспрепятственно проходили через металлическую пластинку. Нет, некоторые из них отклонялись после удара о пластинку на угол около 150 о , т.е. почти обратно возвращались к излучателю. Таких возвращавшихся частиц было, правда, очень мало. Когда экспериментатор преграждал путь ; -частицам более толстой пластинкой, то в его поле зрения появлялось больше ; -частиц, отклонившихся на большие углы. Это указывало, что замеченное Марсденом рассеяние ; -частиц не представляет собой какого-то поверхностного эффекта, т.е. оно не связано с поверхностью пластинки. Но Марсден не мог высказать каких-либо соображений по поводу увиденного им странного поведения ; -частиц. Он рассказал подробно о своих наблюдениях Резерфорду.

Резерфорд сразу представил себе, что эффект, наблюдаемый Марсденом, мог быть только в одном случае: если ; -частица, проникнув в атом, натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.

На основании этих исследований Резерфорд предположил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд ze (z – порядковый номер элемента в системе Менделеева, e – элементарный заряд), размер 10 -15 – 10 -14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10 -10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться z электронов.

Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. При этом кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром сообщает электрону центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием кулоновской силы, имеет вид, где m e и v – масса и скорость электрона на орбите радиуса r, - электрическая постоянная.

Данное уравнение содержит два неизвестных: r и v. Следовательно, существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих ему значений скорости (а значит и энергии), удовлетворяющих этому уравнению. Поэтому величины r, v (следовательно и E) могут меняться непрерывно, т.е. может испускаться любая, а не вполне определенная порция энергии. Тогда спектры атомов должны быть сплошными. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Также из данного выражения следует, что при м скорость движения электронов м/с, а ускорение м/с 2 . Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой – теории атома.

В 1914 году началась первая мировая война и Резерфорду пришлось на время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную промышленность, он возвращался к своим собственным экспериментам. В своих следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом.

Все это привело к потрясающему успеху, взлет гения Резерфорда привел к открытию, революционировавшему впоследствии всю науку и даже технику современности. Дан первый толчок к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.

Мысль о расщеплении ядра атома появилась у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона и в стинцилляционном счетчике загадочных треков (следов). Они были гораздо более длинные, чем треки частиц, которые были емухорошо знакомы по бесчисленным опытам. Он решил найти неизвестные ему причины резкого удлинения пробега частиц. И он также предположил, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Резерфорду нужно было выяснить, какое из этих двух предположений истинно.

Чтобы найти ответы на свои вопросы Резерфорд провел серию опытов по бомбардировке частицами различных веществ. Для этого ученый построил прибор, необыкновенно простой по нашим меркам. Но нельзя не учесть, что он был наиболее пригоден только для наглядного решения задачи. здесь мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих опытах.

На схеме изображен прибор, построенный Резерфордом, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов. Его устройство заключается в том, что латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом. Внутри нее находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время опыта один конец трубки закрывается матовой стеклянной пластинкой, а другой конец – стеклянной пластинкой, прикрепляемой воском. Маленькое прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной пластинкой 3, которая обладала способностью задерживать частицы, аналогичные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.

После того, как Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, до того как прийти к окончательным выводам, Резерфорд проделал еще много опытов. Но в итоге он пришел к заключению, что при столкновении частиц с ядрами азота, некоторые из них разрушаются, испуская ядра водорода – протоны, а после этого образуется ядро кислорода.

С самого начала Резерфорду было понятно огромное значение данного открытия. Расщепление атомных ядер было произведено впервые. Представления, считавшиеся до этого момента непоколебимыми, были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т.д.

Продолжая исследования, он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения – что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны – ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд , “общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени ; -частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17 …”

Проделывая длительные эксперименты, Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. Не прекращая опытов по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя частицы и обладают огромной энергией, но они все же являются недостаточно мощными снарядами для проникновения в ядра элементов. Было решено повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Это первый шаг в последующем развитии ускорительной техники.

Список используемой литературы :

1. Ф.Федоров. “Цепная реакция идеи”, изд. “Знание”, М., 1975г.

2. Т.И.Трофимова. “Курс физики”, изд. “Высшая школа”, М., 1999г.

3. “Курс общей физики”, Г.А.Зисман, О.М.Тодес, изд. “Эдельвейс”, Киев, 1994г.

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

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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

3.2 Квантови числа

3.3 Современные представления о строении ядра

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.

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

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…

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

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.

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.

Принцип запрета Паули. На любой орбитали може находиться не более двух электронов и только в том случае, если в них ризнонапрямлени спины.

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.

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.

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.

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.

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.

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 23.08.2013

Возникновение 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 15.02.2015

Ранняя 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 27.01.2011

Строение 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 13.04.2003

Планетарная 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 25.04.2015

Исследование 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 29.05.2013

Исторический 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.

Читайте также: