Основно съдържание

Курс: Химия 7-10 клас Общообразователна подготовка > Раздел 2

Урок 2: История на строежа на атома

Откриването на електрона и ядрото

Класна стая на Google

Експеримент на Томсън с катодни лъчи и експеримент на Ръдърфорд със златно фолио

Основни идеи

Експериментите на Дж. Дж. Томсън с катодни тръби показали, че всички атоми съдържат малки, отрицателно заредени субатомни частици – електроните.
Според атомния модел "сливов пудинг", създаден от Томсън, отрицателно заредените електрони са разпръснати в положително заредена "супа".
Експериментът на Ръдърфорд със златно фолио показал, че атомът се състои основно от празно пространство с малко, плътно, положително заредено ядро.
Въз основа на тези резултати Ръдърфорд предложил ядрения модел на атома.

Въведение: Надграждане върху атомната теория на Далтон

В предишна статия за атомната теория на Далтон обсъдихме следните постулати:

Цялата материя се състои от неделими частици, наречени атоми, които не могат да бъдат създадени или унищожени.
Атомите на един елемент имат идентични маса и физични свойства.
Съединенията са комбинации от атоми на $2$ ‍ или повече елемента.
Всички химични реакции включват пренареждане на атомите.

Идеите на Далтон се оказват основополагащи за съвременната атомна теория. За едно от неговите предположения по-късно е доказано, че не е правилно. Далтон смятал, че атомите са най-малките единици материя – малки твърди сфери, които не могат да се разделят на още по-малки части. Това предположение се е приемало, докато физичните експерименти не показали, че атомите се състоят от още по-малки частици. В тази статия ще обсъдим някои от ключовите експерименти, които довеждат до откритието на електрона и на атомното ядро.

Дж. Дж. Томсън и откриването на електрона

В края на

19^{-и}

век физикът Дж. Дж. Томсън започнал да експериментира с катодни лъчеви тръби. Катодните лъчеви тръби са запечатани стъклени тръби, от които е премахнат повечето въздух. През два електрода в единия край на тръбата се прилага високо напрежение, което предизвиква отделяне на лъч от частици, които излизат от катода (отрицателно зареден електрод) и се движат към анода (положително зареден електрод). Тръбите се наричат катодни лъчеви тръби, защото лъчът от частици или "катодният лъч" произлиза от катода. Лъчът може да бъде засечен с поставяне на материал, известен като фотолуминофор в далечния край на тръбата след анода. Фотолуминофорът свети или излъчва светлина, когато катодният лъч достигне до него.

Диаграма на катодна тръба на Дж. Дж. Томсън. Лъчът идва от катода и преминава през процеп в анода. Катодният лъч се пречупва от отрицателно заредена пластинка, а след това от положително заредена пластинка. Пречупването на лъча от магнитното поле помага на Томсън да определи отношението маса/заряд на частиците. Изображение от Openstax, CC BY 4.0.

За да провери свойствата на частиците, Томсън поставил противоположно заредени електрически пластини около катодния лъч. Катодният лъч бил отклонен от отрицателно заредена електрическа пластина и насочен към положително заредена електрическа пластина. Това показало, че катодният лъч е съставен от отрицателно заредени частици.

Томсън поставил и два магнита от двете страни на тръбата и видял, че магнитното поле също отклонява катодния лъч. Резултатите от тези експерименти помогнали на Томсън да определи отношението маса/заряд на частиците от катодния лъч, което довело до забележително откритие – масата на всяка частица била много, много по-малка от тази на който и да е известен атом. Томсън повторил експериментите с електроди от различни метали и открил, че свойствата на катодния лъч остават постоянни независимо от материала, от който е изработен катода. От това Томсън стигнал до следните заключения:

Катодният лъч се състои от отрицателно заредени частици.
Частиците трябва да съществуват като част от атома, тъй като масата на всяка частица е само $\sim$ ‍ $\frac{1}{2000}$ ‍ от масата на водородния атом.
Тези субатомни частици могат да бъдат открити в атомите на всички елементи.

Макар на пръв поглед противоречиви, откритията на Томсън постепенно били приети от учените. Накрая на частиците от катодния лъч било дадено познатото днес име електрони. Откритието на електрона опровергало част от атомната теория на Далтон, че атомите са неделими. Бил необходим напълно нов модел на атома, който да обясни неговото съществуване.

Проверка на понятието: Защо Томсън решава, че електроните могат да бъдат открити в атомите на всички елементи?

Като част от експериментите с катодни тръби Томсън се опитал да промени материала на катода, който е източникът на частици. Тъй като били излъчвани едни и същи частици от катоди, изработени от различни метали, Томсън стигнал до заключението, че тези частици са фундаментална част от атомите.

Моделът на сливовия пудинг

Томсън знаел, че атомите имат неутрален заряд. От тук той заключил, че в атома трябва да има източник на положителен заряд, който да компенсира отрицателния заряд на електроните. Това го довело до предположението, че атомите съдържат отрицателни частици, които плуват в супа с положителен заряд. Този модел често се нарича модел на сливовия пудинг поради факта, че описанието му прилича много на сливов пудинг, популярен английски десерт (виж изображението по-долу).

Моделът на сливовия пудинг представя електроните като отрицателно заредени частици, плуващи в море с положителен заряд. Структурата на атома, предложена от Томсън, наподобява сливов пудинг, популярен английски десерт (вляво). Изображение от Openstax, CC BY 4.0.

Предвид това, което знаем днес за строежа на атома, този модел звучи малко невероятно. За щастие, учените продължили да изследват структурата на атома и да проверяват валидността на модела на атома на Томсън.

Проверка на понятие: Томсън предлага атомен модел с отделни отрицателни заряди, които плуват в "море" с положителен заряд. Можеш ли да измислиш друг модел на атома, който да обяснява експерименталните резултати на Томсън?

Има много модели на атома, които могат да обяснят резултатите на Томсън! Други модели, предложени по същото време, включват "планетарния модел" на Хантаро Нагаока, според който електроните са разположение около положително зареденото ядро подобно на пръстените на Сатурн.

Ърнест Ръдърфорд и експериментът със златно фолио

Следващият фундаментален експеримент в историята изследване на атома е проведен от Ърнест Ръдърфорд, физик от Нова Зеландия, който прекарал по-голямата част от кариерата си в Канада и Англия. В своя известен експеримент със златно фолио Ръдърфорд изпратил тънък лъч

α

-частици (алфа-частици) през много тънък лист от чисто злато. Алфа частиците са хелиеви ядра

(_{2}^{4} {He}^{2 +})

, които се получават в различни процеси на радиоактивен разпад. В този случай Ръдърфорд поставил проба от радий (радиоактивен метал) в оловна кутия с малък отвор. По-голямата част от радиацията била абсорбирана от оловото, но тънък лъч

α

-частици преминали през отвора към златното фолио. Златното фолио било заобиколено от детекторен екран, който светвал при удар от

α

-частица.

Вярваш или не, златното фолио не било използвано само заради екстравагантния вкус на Ръдърфорд. Златото е изключително ковко, което означава, че от него могат да се направят изключително тънки листове. Всъщност най-тънките златни листове са с дебелина

0,000 04 cm

, което е дебелината на няколкостотин атома! На Ръдърфорд му е било необходимо наистина тънко фолио, за да проведе експериментите си успешно. Ако фолиото е прекалено дебело,

α

-частиците можело да не преминат през него.

В експеримента на Ръдърфорд със златно фолио лъч от $α$ ‍-частици бил насочен през тънък лист златно фолио. Повечето $α$ ‍-частици преминали през златното фолио, но малка част от тях били леко отклонени, а още по-малка част били отклонени на повече от $90^{\circ}$ ‍ от своята посока. Изображение от Openstax, CC BY 4.0.

Въз основа на модела на атома на Томсън Ръдърфорд предвидил, че повечето

α

-частици ще преминат през златното фолио. Това е така, защото се приема, че положителният заряд съгласно модела на пудинга е разпръснат в целия обем на атома. Следователно електричното поле от положително заредената "супа" ще е прекалено слабо, за да окаже значително влияние на относително тежките и бързи

α

-частици.

Резултатите от експеримента били шокиращи. Въпреки че повечето

α

-частици преминали през фолиото, няколко

α

-частици (около

1

на

20

000

) били отклонени на повече от

90^{\circ}

от своята посока! Самият Ръдърфорд описал резултатите със следната аналогия: "Това беше най-невероятното събитие в живота ми. Почти толкова невероятно, колкото да изстреляш

15

инчов

снаряд срещу лист хартия и той да се върне обратно и да те удари."

Въз основа на модела на Томсън се приемало, че в атомите на златото няма нищо, което е достатъчно плътно и тежко, за да отклони посоката на тежките $α$ ‍-частици (виж изображението). Наблюдаваните от Ръдърфорд резултати, обаче, не съвпаднали с неговото предположение (изображението вдясно) – бил необходим нов модел на атома!

Ядрен модел на атома

Въз основа на експерименталните си резултати Ръдърфорд направил следните заключения за строежа на атома:

Положителният заряд трябва да е съсредоточен в много малък обем от атома, който съдържа и основната част от атомната маса. Това обяснява защо много малка част от $α$ ‍-частиците били значително отклонени, вероятно заради редките сблъсъци с ядрото на златото.
Тъй като повечето $α$ ‍-частици преминали направо през златното фолио, атомът би трябвало да се състои най-вече от празно пространство!

Така Ръдърфорд стигнал до ядрения модел, според който всеки атом се състои от много малко, положително заредено ядро, заобиколено от отрицателно заредените електрони. Според броя

α

-частици, отклонени в неговия експеримент, Ръдърфорд изчислил, че ядрото заема много малка част от обема на атома.

Ядреният модел обяснявал експерименталните резултати на Ръдърфорд, но поставял допълнителни въпроси. Например какво правят електроните в атома? Как не пропадат в ядрото, щом противоположните заряди се привличат? За щастие науката била готова за това предизвикателство! Физици като Нилс Бор продължили да провеждат експерименти, с които да изследват ядрения модел на атома, който в крайна сметка еволюирал в съвременния квантово-механичен модел.

Резюме

Експериментите на Дж. Дж. Томсън с катодни тръби показали, че всички атоми съдържат малки, отрицателно заредени субатомни частици – електрони.
Томсън предложил модела на сливовия пудинг за строежа на атома, според който отрицателно заредени електрони плуват в положително заредена "супа".
Експериментът на Ръдърфорд със златно фолио показал, че атомът се състои основно от празно пространство с малко, плътно, положително заредено ядро.
Въз основа на тези резултати Ръдърфорд предложил ядрения модел на атома.

Източници

Статията е адаптирана от следните статии:

“Еволюция на атомната теория” от Оупънстакс, CC BY 4.0.
"Атомна теория" from UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3.0 US.

Изменената статия е лицензирана съгласно CC-BY-NC-SA 4.0.

Допълнителни препратки

Зумдал,С.С., както и Зумдал С.А. (2003). Атомна структура и периодичност. В химията (6 изд., стр. 290-94), Бостън, Масачузетс: Компания Хютън Мифлин.

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Key Experiments: How Do We Know the Nature of the Atom and Its Components? In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 54-55). Stamford, CT: Cengage Learning.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.