Физика 11 класс "Доказательства сложной структуры атомов. Строение атома. Опыты Резерфорда"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Доказательства сложной структуры атомов. Строение атома. Опыты Резерфорда

Физика 11 класс

Учитель физики И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Доказательства сложной структуры атомов

• Долгое время, физика накапливала факты о свойстве вещества для полного представления о строении атома. И только в XIX веке изучение атомического строения вещества существенно сдвинулось с точки покоя.

• Первые экспериментальные результаты, из которых можно было сделать вывод о сложной структуре атомов, о наличии внутри атомов электрических зарядов, были получены М. Фарадеем в 1883 г. при изучении законов электролиза.

Майкл Фарадей

Открытие электрона  

• В 1897 г. Дж. Дж. Томсон в результате экспериментов по изучению электрического разряда в разреженных газах, фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии установил, что при соударениях атомов в плазме электрического разряда, при нагревании вещества или освещении его ультрафиолетовым светом из атомов любого химического элемента вырываются одинаковые отрицательно заряженные частицы. Эти частицы были названы электронами .

Джозеф Джон Томсон

Открытие электрона 

• Электрический заряд отдельных электронов впервые был измерен в опытах Р. Милликена в 1909 г. Он оказался действительно одинаковым у всех электронов.
• Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов - атома водорода. Открытие электрона и обнаружение электронов в составе атомов любого химического элемента было первым доказательством сложности атомов.

Роберт Милликен

Масса электрона: m е =9,11 · 10 -31 кг

Периодический закон Д.И.Менделеева

•   Открытие Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона поставило перед физикой вопрос о причинах повторяемости химических свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомной массы. Естественно было предположить, что увеличение массы атомов химических элементов связано с увеличением числа частиц, входящих в их состав.

•   Периодическую повторяемость химических свойств элементов в таблице Д.И. Менделеева можно рассматривать как свидетельство периодической повторяемости основных особенностей внутренней структуры атомов по мере увеличения числа частиц, входящих в их состав.

Линейчатые спектры

•   Важным фактором, свидетельствующим о сложной внутренней структуре атомов, было открытие линейчатых спектров.
• Исследования показали, что при нагревании до высокой температуры пары любого химического элемента испускают свет, узкий пучок которого разлагается призмой на несколько узких пучков света различного цвета.
• Совокупность наблюдаемых при этом разноцветных линий называется линейчатым спектром испускания .
• Линейчатый спектр испускания каждого химического элемента не совпадает со спектром испускания ни одного другого химического элемента.
• Каждая отдельная линия в линейчатом спектре излучения образуется светом с одной длиной волны.
• Источник света с линейчатым спектром излучения испускает электромагнитные волны не со всевозможными частотами, а только с несколькими вполне определенными.

Линейчатые спектры

• При пропускании белого света со сплошным спектром через пары вещества наблюдается возникновение темных линий на фоне сплошного спектра испускания. Темные линии расположены точно в тех местах, в которых наблюдаются светлые линии спектра излучения данного химического элемента. Такой спектр называется линейчатым спектром поглощения.
• Линейчатые спектры поглощения свидетельствуют о том, что вещество в газообразном состоянии способно поглощать электромагнитное излучение только с такими частотами, какие имеются в линейчатом спектре излучения данного вещества.
• Свет с линейчатым спектром излучения испускается веществом в газообразном атомарном состоянии при невысоких давлениях, т.е. при условии слабого взаимодействия атомов между собой. При таких условиях испускание квантов электромагнитного излучения является результатом процессов, происходящих внутри отдельных атомов.

Линейчатые спектры

• После открытия электрона стала очевидной связь явлений излучения и поглощения света с наличием в них электронов.
• Свет - это электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов.
• Можно предположить, что при соударениях атомов электроны, имеющиеся внутри атомов, могут приобретать избыток энергии и затем излучать электромагнитные волны, совершая гармонические колебания внутри атомов.
• Различным длинам волн излучаемого света соответствуют различные частоты колебаний электронов внутри атомов.
• Следовательно, теория строения атома должна дать способы расчета длин волн в спектре любого химического элемента

Радиоактивность

•   Еще одним доказательством сложности строения атомов явилось открытие явления радиоактивности.
• В 1896 г. французский физик Анри Беккерель производил опыты с солями урана. Он установил, что атомы урана испускают невидимые глазом излучения, способные проникать через бумагу или картон и вызывать почернение фотографической пластинки.

Анри Беккерель

(1852-1908)

Явление испускания атомами невидимых проникающих излучений назвали радиоактивностью (от слова "радиус" - луч).

Радиоактивность

• Польского происхождения физик Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и французский физик Пьер Кюри (1859-1906) доказали, что радиоактивные излучения испускаются не только атомами урана, но и атомами некоторых других элементов. По радиоактивному излучению ими были открыты два неизвестных ранее химических элемента - радий и полоний.

Мария Склодовская-Кюри

(1867-1934)

Пьер Кюри (1859-1906)

• Исследования радиоактивного излучения показали, что радиоактивные атомы испускают не один, а три вида излучения различной физической природы. Эти излучения были названы альфа-, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи - потоком электронов, а гамма-лучи - потоком квантов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны, порядка 10 -11 -10 -13  м.

Радиоактивность

• В 1902 г. английские ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди доказали, что

явление радиоактивности- это процесс превращения ядер атомов одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента.

• Например, атом урана в результате радиоактивного распада превращается в два атома - атом тория и атом гелия. Открытие явления радиоактивного распада доказывало сложность внутренней структуры атомов, опровергало представление о неизменности, неразрушимости атомов.

Фредерик Содди

(1877-1956)

Эрнест Резерфорд

(1871-1937)

Сложная структура атома

• Все открытия ясно показали, что атом не является «неделимым». Он не только состоит из более мелких частей (электронов и более тяжелых положительных частиц), но эти и другие субчастицы, по-видимому, самопроизвольно испускаются при радиоактивном распаде тяжелых элементов.
• Кроме того, атомы не только испускают излучение в видимой области с дискретными частотами, но и могут так возбуждаться, что начинают испускать более «жесткое» электромагнитное излучение, а именно X -лучи.

Электронная теория атома

• Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил Хендрик Лоренц. Именно он создал электронную теорию: электроны входят в состав атома .
• Эту гипотезу в 1897 году подтвердили эксперименты Джозефа Джона Томсона. Им был сформулирован вывод о том, что существуют частицы с наименьшим отрицательным зарядом - электроны и они являются частью атомов.

Хендрик Антон Лоренц

(1853–1928)

Модель атома

• В 1903 – 1904 годах появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая английскому физику Джозефу Джону Томсону.
•   В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока выдвинул гипотезу о том, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного кольцами из большого числа электронов, колебания которых и являются причиной испускания атомных спектров, по аналогии с теорией устойчивости колец Сатурна.

Модель строения атома Томсона

• По мысли Томсона, положительный заряд занимает весь объём атома и распределён он в этом сферическом объёме равномерно. У более сложных атомов в положительно заряжённом шаре есть несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюма играют электроны.
• Распространённый термин этой модели - «Пудинг с изюмом» или «Булочка с изюмом».

Модель строения атома Томсона

• Атом – шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд.
• Внутри шара находятся электроны.
• Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия.
• Положительный заряд шара равен по модулю суммарному заряду электронов, поэтому заряд атома в целом равен нулю.

• Таким образом, к началу XX века учёные сделали вывод о том, что атомы материи имеют сложную внутреннюю структуру. Они являются электрически нейтральными системами, а носителями отрицательного заряда атомов являются лёгкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов.
• Однако модель атома Томсона находилась в полном противоречии с экспериментами по изучению распределения положительных зарядов.

• Модель Томсона нуждалась в экспериментальной проверке. Важно было убедиться, действительно ли положительный заряд распределён по всему объёму атома с постоянной плотностью.
• В 1909г. Эрнест Резерфорд совместно со своими сотрудниками Г. Гейгером и Э. Марсденом провёл ряд опытов по исследованию состава и строения атомов .

Строение атома. Опыты Резерфорда

Резерфорд Эрнест

• Резерфорд Эрнест (1871–1937) – английский физик, основоположник ядерной физики. Его исследования посвящены атомной и ядерной физике, радиоактивности. Своими фундаментальными открытиями в этих областях заложил основы современного учения о радиоактивности и теории строения атома.
• В 1899 г. открыл альфа - и бета-лучи. Вместе с Ф. Содди в 1903 г. разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903 г. доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. В 1908 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Опыты Резерфорда

• 1906 г . Идея опыта Резерфорда: Зондировать атом альфа–частицами.
• Альфа-частицы возникают при распаде радия. Масса альфа-частицы в 8000 раз больше массы электрона. Электрический заряд альфа-частицы в 2 раза больше заряда электрона. Скорость альфа-частицы 1/15 скорости света . Альфа-частица является ядром атома гелия.

Опыты Резерфорда

• Рассеяние (изменение направления движения) альфа -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию альфа -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома .

Опыты Резерфорда

• Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение альфа -частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране .

Опыты показали:

• Подавляющая часть альфа-частиц проходит сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы;
• Некоторая небольшая часть альфа-частиц при прохождении через фольгу отклоняется на значительные углы ( 90,120,150 градусов);
• Некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большой массы.

Опыты Резерфорда

• На основе модели Томсона при распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить альфа -частицу назад.
• Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большой массы.
• Малая вероятность отклонения на большие углы говорила о том, что эта положительная частица имеет малые размеры, порядка 10 –14 м.

Выводы из опытов:

• Положительный заряд сосредоточен в малой части атома – ядре;
• Практически вся масса атома сосредоточена в этом ядре;
• Отклонения альфа-частиц на большие углы происходят в результате столкновения альфа – частиц с ядром одного из атомов;

Определение размеров атомного ядра

• Подсчитывая число альфа -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 —10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10—100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра.

Планетарная модель атома

• В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
• В целом атом нейтрален. Число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе.
• Покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро, характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Модель атома водорода

• В атоме водорода вокруг ядра обращается   всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало   рассматриваться 

  как   элементарная частица. Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона

Недостатки модели атома Резерфорда

• Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него.
• Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т.е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента.

• Попыткой спасения планетарной модели атома стали постулаты Нильса Бора

Спасибо за внимание!