¿Qué etapas históricas ha experimentado la humanidad en la exploración de los misterios de la estructura atómica?
En primer lugar, el descubrimiento:
Desde. El químico británico, desde que el físico J. John Dalton (1766 ~ 1844) (en la foto de la derecha) fundó la teoría atómica, la gente siempre ha creído que el átomo es como una bola de vidrio sólida extremadamente pequeña, sin más trucos en su interior.
Después de que el científico alemán Hitov descubriera los rayos catódicos en 1869, un gran número de científicos como Crookes, Hertz, Lerner y Thomson llevaron a cabo investigaciones sobre los rayos catódicos durante más de 20 años. Finalmente, Joseph John Thomson descubrió la existencia de los electrones. En circunstancias normales, los átomos no están cargados. Dado que los electrones cargados negativamente que son 1.700 veces más pequeños que su propia masa también pueden escapar del átomo, significa que hay una estructura dentro del átomo. Hay cosas cargadas positivamente dentro del átomo, que deberían neutralizar la carga negativa que transportan los electrones. , haciendo que el átomo sea de sexo neutro.
2. Historia de la evolución del modelo:
1. Modelo del átomo neutro
En 1902, el físico alemán Learnard (1862-1947) propuso la dinámica de las partículas neutras. submodelo. Las primeras observaciones de Learnard mostraron que los rayos catódicos podían pasar a través de una ventana de aluminio en un tubo de vacío y alcanzar el exterior del tubo. Basándose en esta observación, demostró en 1903 mediante experimentos de absorción que los rayos catódicos de alta velocidad podían atravesar miles de átomos. Según los semimaterialistas populares, el volumen de los átomos está en su mayor parte vacío, mientras que el volumen de la materia rígida es sólo de aproximadamente 10 (es decir, uno entre cien mil). Learnard imaginó la "materia rígida" como una combinación de un gran número de cargas positivas y negativas dispersas en el espacio interno de los átomos.
2. Modelo atómico de esfera cargada sólida
Lord Kelvin (1824 ~ 1907), un famoso físico e inventor británico, originalmente se llamaba William Tang Musun. Por su contribución a la instalación del primer cable submarino del Atlántico, el gobierno británico le concedió el título de caballero en 1866 y fue ascendido a Lord Kelvin en 1892. Las investigaciones de Kelvin fueron amplias y realizó aportes en los campos del calor, electromagnetismo, mecánica de fluidos, óptica, geofísica, matemáticas y aplicaciones de ingeniería. Publicó más de 600 artículos a lo largo de su vida y obtuvo 70 patentes de invención. Gozaba de una gran reputación en la comunidad científica de la época. Kelvin propuso el modelo atómico de esfera sólida cargada en 1902, que considera el átomo como una esfera uniformemente cargada positivamente con electrones cargados negativamente enterrados dentro de la esfera, que se encuentra en un estado de equilibrio electrostático en circunstancias normales. Este modelo fue desarrollado más tarde por J.J. Tang Musun y más tarde pasó a ser conocido como el modelo atómico de Tang Musun.
3. Modelo de torta de pasas
Joseph John Thomson (1856-1940) continuó su investigación sistemática e intentó describir la estructura atómica. Thomson creía que el átomo contenía una esfera anódica uniforme en la que orbitaban varios electrones negativos. Basándose en los estudios de Alfred Mayer sobre el equilibrio de los imanes flotantes, demostró que el bucle formado por estos electrones en viaje sería estable si el número de electrones no excediera un cierto límite. Si el número de electrones excede este límite, habrá dos anillos, y así sucesivamente. De esta manera, el aumento de electrones conduce a similitudes periódicas en la estructura, y también se puede explicar la repetición repetida de propiedades físicas y químicas en la tabla periódica de Mendeleev.
En el modelo propuesto por Thomson, la distribución de electrones en la esfera es algo así como las pasas en un pastel. Mucha gente llama al modelo atómico de Thomson el "modelo de pastel de pasas". No sólo puede explicar por qué los átomos son eléctricamente neutros y cómo se distribuyen los electrones en los átomos, sino también explicar el fenómeno de los rayos catódicos y el fenómeno de que los metales pueden emitir electrones bajo irradiación ultravioleta. Y según este modelo, se puede estimar que el tamaño de un átomo es de unos 10-8 cm, lo cual es algo asombroso. Debido a que el modelo de Thomson podía explicar muchos hechos experimentales en ese momento, muchos físicos lo aceptaron fácilmente.
4. Modelo de Saturno
Nagaoka Kantaro (1865-1950) lo publicó oralmente en la Sociedad de Física Matemática de Tokio en 1903 y 1904, y lo publicó en revistas japonesas, inglesas y alemanas. en 1904. "Explicación de los espectros lineales y de bandas".
Criticó el modelo de Thomson, creyendo que las cargas positivas y negativas no podían penetrarse entre sí y propuso una estructura que llamó "modelo de Saturno", un modelo atómico en el que los electrones giran alrededor de un núcleo cargado positivamente. Una bola masiva cargada positivamente está rodeada por un anillo de electrones equiespaciados que se mueven en círculo con la misma velocidad angular. Las vibraciones radiales de los electrones emiten un espectro lineal y las vibraciones perpendiculares al toro emiten un espectro de bandas. Los electrones del anillo salen volando como rayos beta, y las partículas cargadas positivamente en la esfera central salen volando como rayos alfa. Este modelo de Saturno tuvo una gran influencia en su modelo posterior de nucleación atómica. En 1905, analizó resultados experimentales como la medición de la relación carga-masa de partículas alfa y descubrió que las partículas alfa eran iones de helio. En 1908, el científico suizo Leeds propuso el modelo del átomo magnético.
Su modelo puede explicar algunos hechos experimentales en ese momento hasta cierto punto, pero no puede explicar muchos resultados experimentales nuevos, por lo que no se desarrolló más. Unos años más tarde, el "modelo de pastel de pasas" de Thomson fue anulado por su alumno Rutherford.
5. Modelo del sistema solar
El físico británico Ernest Rutherford (1871 ~ 1937) llegó al Laboratorio Cavendish en Inglaterra en 1895 para estudiar con Thomson, convirtiéndose en el primer estudiante de posgrado de Thomson en el extranjero. Rutherford fue diligente y estudioso. Bajo la dirección de Thomson, Rutherford descubrió los rayos alfa mientras realizaba su primer experimento, el experimento de absorción radiactiva.
Rutherford diseñó un ingenioso experimento. Colocó uranio, radio y otros elementos radiactivos en contenedores de plomo, dejando sólo un pequeño agujero en el contenedor de plomo. Debido a que el plomo bloquea la radiación, sólo una pequeña porción de la radiación sale del agujero, creando un haz estrecho de radiación. Rutherford colocó un imán potente cerca del haz de radiación y descubrió que un rayo no se vio afectado por el imán y siguió moviéndose en línea recta. El segundo rayo es afectado por el imán y se desvía hacia un lado, pero no demasiado. El tercer rayo está muy desviado.
Rutherford colocó materiales de diferentes espesores en la dirección de la radiación y observó la absorción de la radiación. El primer tipo de radiación no se ve afectada por los campos magnéticos, lo que significa que no tiene carga y tiene un fuerte poder de penetración. El papel común, las virutas de madera y otros materiales no pueden bloquear el avance de la radiación. Sólo las gruesas placas de plomo pueden bloquearla por completo. Se trata de los llamados rayos gamma. El segundo rayo se verá afectado por el campo magnético y desviado hacia un lado. Por la dirección del campo magnético se puede juzgar que este rayo tiene carga positiva. El poder de penetración de este rayo es muy débil y puede bloquearse completamente con un trozo de papel. Estos fueron los rayos alfa descubiertos por Rutherford. El tercer tipo de rayo tiene carga negativa según la dirección de desviación y tiene las mismas propiedades que los electrones que se mueven rápidamente, por eso se llama rayo beta. Rutherford estaba particularmente interesado en los rayos alfa, que él mismo había descubierto. Después de una investigación profunda y detallada, señaló que los rayos alfa son corrientes de partículas cargadas positivamente. Estas partículas son iones de átomos de helio, es decir, átomos de helio a los que les faltan dos electrones.
El "tubo de conteo" fue inventado por el estudiante alemán Hans Geiger (1882-1945), que puede utilizarse para medir partículas cargadas invisibles a simple vista. Cuando las partículas cargadas pasan a través del tubo de conteo, el tubo de conteo emite una señal de telecomunicaciones. Cuando esta señal de telecomunicaciones se conecta a la alarma, el instrumento emitirá un sonido de "clic" y la luz indicadora se encenderá. Los rayos invisibles e invisibles se pueden registrar y medir con instrumentos muy sencillos. Este instrumento se llama contador Geiger. Con la ayuda del contador Geiger se desarrolló rápidamente la investigación sobre las propiedades de las partículas alfa en el laboratorio de Manchester dirigido por Rutherford.
En 1910, E. Marsden (1889-1970) llegó a la Universidad de Manchester. Rutherford le pidió que bombardeara una lámina de oro con partículas alfa, que hiciera experimentos prácticos y usara una pantalla fluorescente para registrar las partículas alfa que pasaban a través de la lámina de oro. Según el modelo de la torta de pasas de Thomson, en una sustancia uniformemente cargada positivamente, se distribuyen pequeños electrones, y las partículas alfa son átomos de helio que han perdido dos electrones y su masa es miles de veces mayor que la de los electrones. Una capa tan pesada bombardea los átomos y ni siquiera los electrones más pequeños pueden resistirla. La materia positiva de los átomos de oro se distribuye uniformemente por todo el volumen atómico y no puede resistir el bombardeo de partículas alfa. En otras palabras, las partículas alfa pasarán fácilmente a través de la lámina de oro, e incluso si están un poco bloqueadas, solo cambiarán ligeramente de dirección después de atravesar la lámina de oro. Rutherford y Geiger han realizado este experimento muchas veces y sus observaciones concuerdan bastante con el modelo de pastel de pasas de Thomson. Afectadas por los átomos de oro, las partículas alfa cambiaron ligeramente de dirección y su ángulo de dispersión fue extremadamente pequeño.
Marsden y Geiger repitieron este experimento que habían hecho muchas veces, ¡y ocurrió un milagro! Observaron no sólo partículas alfa dispersas, sino también partículas alfa reflejadas en la lámina de oro. Rutherford describió esta escena en un discurso en una etapa avanzada de su vida.
Dijo: "Recuerdo que Geiger vino a verme dos o tres días después muy emocionado y me dijo: 'Tenemos algunas partículas alfa reflejadas...' y fue el evento más increíble de mi vida. Fue como disparar una cámara de 15 pulgadas. Cañón fue tan increíble como disparar con papel de fumar, pero ser golpeado por un proyectil reflejado. Después de pensarlo, me di cuenta de que esta retrodispersión solo puede ser el resultado de una única colisión. Después del cálculo, vi que si la masa. "La mayoría de los átomos no se tiene en cuenta. Es imposible alcanzar este orden de magnitud concentrándose en un núcleo pequeño".
El "después de pensar", dijo Rutherford, no es pensar durante uno o dos días. pensando durante uno o dos años enteros. Después de realizar muchos experimentos, cálculos teóricos y una cuidadosa consideración, propuso audazmente el modelo atómico del núcleo atómico, anulando el modelo atómico de esfera sólida cargada de su maestro Thomson.
Después de comprobar que las partículas alfa reflejadas en los experimentos de sus alumnos eran efectivamente partículas alfa, Rutherford midió cuidadosamente su número total. Las mediciones mostraron que, en sus condiciones experimentales, una partícula alfa se reflejaba de cada 8.000 partículas alfa incidentes. El modelo atómico de esfera sólida cargada de Thomson y la teoría de la dispersión de partículas cargadas sólo pueden explicar la dispersión de ángulo pequeño de las partículas alfa, pero no pueden explicar la dispersión de ángulo grande. La dispersión múltiple puede obtener una dispersión de gran ángulo, pero los resultados del cálculo muestran que la probabilidad de dispersión múltiple es extremadamente pequeña, lo que está demasiado lejos de la observación mencionada anteriormente de una de las ocho mil partículas alfa reflejadas.
El modelo atómico de Thomson no puede explicar la dispersión de las partículas alfa. Después de cuidadosos cálculos y comparaciones, Rutherford descubrió que sólo cuando las cargas positivas se concentran en un área pequeña y las partículas alfa pasan a través de un solo átomo, puede ocurrir una dispersión de ángulo grande. En otras palabras, la carga positiva del átomo debe concentrarse en un pequeño núcleo en el centro del átomo. Sobre la base de esta suposición, Rutherford calculó además algunas leyes de la dispersión alfa e hizo algunas inferencias. Estas inferencias pronto fueron confirmadas por una serie de hermosos experimentos realizados por Geiger y Marsden.
El modelo atómico de Rutherford es como un sistema solar, con núcleos cargados positivamente como el sol y electrones cargados negativamente como los planetas que orbitan alrededor del sol. En este "sistema solar" la fuerza entre ellos es la interacción electromagnética. Explicó que la materia cargada positivamente en el átomo se concentra en un núcleo pequeño, y la mayor parte de la masa atómica también se concentra en este núcleo pequeño. Cuando las partículas alfa se disparan directamente al núcleo, pueden rebotar. Esto explica satisfactoriamente la dispersión de gran ángulo de las partículas alfa. Rutherford publicó el famoso artículo "Dispersión de partículas α y β por la materia y su principio y estructura".
La teoría de Rutherford abrió una nueva forma de estudiar la estructura atómica e hizo una contribución inmortal al desarrollo de la ciencia atómica. Sin embargo, durante mucho tiempo, los físicos ignoraron la teoría de Rutherford. La debilidad fatal del modelo atómico de Rutherford es que la fuerza del campo eléctrico entre cargas positivas y negativas no puede cumplir con los requisitos de estabilidad, es decir, no puede explicar cómo los electrones pueden permanecer estables fuera del núcleo. El modelo de Saturno propuesto por Hantaro en 1904 fracasó porque no pudo superar las dificultades de estabilidad. Por lo tanto, cuando Rutherford propuso una vez más el modelo atómico del núcleo, muchos científicos lo consideraron como una conjetura o uno de varios modelos, ignorando la sólida base experimental sobre la cual Rutherford propuso el modelo.
Rutherford tenía una visión extraordinaria, por lo que a menudo era capaz de captar la esencia y hacer predicciones científicas. Al mismo tiempo, tiene una actitud científica muy rigurosa y quiere sacar conclusiones de hechos experimentales. Rutherford creía que su modelo estaba lejos de ser perfecto y necesitaba más investigación y desarrollo. Declaró al comienzo de su artículo: "En esta etapa no es necesario considerar la estabilidad del átomo propuesto, ya que obviamente dependerá de la estructura fina del átomo y del movimiento de los componentes cargados en una letra". A un amigo ese año también le dijo: "Espero poder dar algunas ideas más claras sobre la estructura atómica en uno o dos años".
Modelo de Bohr
La teoría de Rutherford atrajo a un joven danés llamado Niels Bohr (1885-1962). Basándose en el modelo de Rutherford, propuso la órbita cuantificada de los electrones fuera del núcleo atómico, resolvió el problema de la estabilidad de la estructura atómica y describió una teoría de la estructura atómica completa y convincente.
Bohr nació en una familia de profesores en Copenhague y se doctoró en la Universidad de Copenhague en 1911. Estudió en el laboratorio de Rutherford de marzo a julio de 1912, tiempo durante el cual nació su teoría atómica. Bohr primero extendió la hipótesis cuántica de Planck a la energía dentro de los átomos para resolver las dificultades en la estabilidad del modelo atómico de Rutherford.
Se supone que los átomos solo pueden cambiar de energía a través de fotones de energía discreta, es decir, los átomos solo pueden estar en estados estables discretos, y el estado estable más bajo es el estado normal del átomo. Luego, inspirado por su amigo Hansen, derivó el concepto de transición en estado estacionario a partir de la ley de combinación de líneas espectrales. Publicó tres partes de su extenso artículo "Sobre la estructura atómica y molecular" en julio y septiembre de 1913 y 11.
La teoría atómica de Bohr da la siguiente imagen del átomo: los electrones se mueven alrededor del núcleo en una órbita posible específica, cuanto más lejos del núcleo, mayor es la energía de la órbita posible; del electrón. Debe estar determinado por un múltiplo entero de h/2π; cuando el electrón se mueve en estas posibles órbitas, el átomo no emite ni absorbe energía. Sólo cuando el electrón salta de una órbita a otra, la radiación emitida o. absorbido es de frecuencia única. La relación entre la frecuencia y la energía de la radiación viene dada por E=hν. La teoría de Bohr explicó con éxito la estabilidad de los átomos y la regularidad de las líneas espectrales de los átomos de hidrógeno.
La teoría de Bohr amplió enormemente la influencia de la teoría cuántica y aceleró su desarrollo. En 1915, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) amplió la teoría atómica de Bohr para incluir órbitas elípticas y tuvo en cuenta los efectos relativistas especiales de la masa del electrón que cambia con su velocidad. La fina estructura de los espectros derivados es consistente con los experimentos.
En 1955, Albert Einstein (1879-1955) analizó estadísticamente el proceso de absorción y emisión de radiación de los materiales basándose en la teoría atómica de Bohr y derivó la ley de radiación de Planck. El trabajo de Einstein sintetizó los resultados de la primera fase de la teoría cuántica, integrando el trabajo de Planck, Einstein y Bohr en una sola entidad.
7. Modelo Kernel
Entre los estudiantes de Rutherford se encontraban más de una docena de premios Nobel, como Bohr, Chadwick, Cockroft y Carl Picha, Hahn, et al. Tras descubrir el núcleo atómico, Rutherford bombardeó el núcleo de nitrógeno con rayos alfa en 1919, logrando la primera "alquimia" y reacción nuclear de la historia de la humanidad. De ahora en adelante, los elementos no son cosas eternas. A través de una serie de reacciones nucleares, Rutherford descubrió que los protones, o iones de hidrógeno, son componentes de todos los núcleos atómicos, y predijo los neutrones, que luego fueron descubiertos por su alumno Chadwick, quien finalmente estableció un modelo de estructura nuclear basado en protones y neutrones. Una vez establecido el principio de exclusión de Pauli, también se explicó la ley periódica de los elementos. Más tarde, Rutherford sería conocido como el padre de la física nuclear. Por supuesto, cuando Gran Bretaña sea próspera, no olvidemos a los Curie en Francia, porque las capas atómicas necesarias para la serie de descubrimientos de Rutherford son partículas alfa liberadas por elementos radiactivos (especialmente radio). En ese momento, los franceses establecieron el Laboratorio Curie y Curie murió en un accidente automovilístico. Mary ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre la radiactividad. El famoso libro "Teoría general de la radiactividad" se ha transmitido de generación en generación. Después del Laboratorio Curie, fue presentado por la joven pareja Curie: Iorio Curie e Irina Curie, ambos igualmente talentosos y no menos talentosos que los tres lugares santos. Los pequeños Curie tuvieron un poco de mala suerte. Descubrieron que Chadwick robó el neutrón, Anderson robó el positrón y Hahn robó la fisión nuclear. Las oportunidades son fugaces. Pero al final ganó el Premio Nobel por su descubrimiento de la radiactividad artificial. En la actualidad existen miles de isótopos radiactivos, la mayoría de los cuales se producen artificialmente, gracias al Sr. y la Sra. Curie.
El experimento del modelo nuclear fue exitoso, pero entró en serio conflicto con la teoría básica de la época. Según la electrodinámica clásica, debido al movimiento circular de los electrones, se irradian ondas electromagnéticas. Debido a la pérdida de energía, caerán en el núcleo en 1 ns y al mismo tiempo emitirán un espectro continuo. En otras palabras, teóricamente no existe el átomo. Pero los átomos existen, son estables y emiten espectros lineales. Esto está respaldado por una gran cantidad de hechos experimentales y de la química en su conjunto. En 1911, un joven danés de 26 años llegó a Cambridge y luego fue trasladado al Laboratorio Rutherford en Manchester, donde se enteró del sorprendente descubrimiento del núcleo atómico. Finalmente, encontró una modificación fundamental del modelo nucleado que no sólo tenía en cuenta la estabilidad de los átomos sino que también les permitía calcular sus radios. Era Niels Bohr, tan famoso como Einstein.
En 1885, el profesor de matemáticas suizo Balmer descubrió una fórmula empírica para el espectro visible de los átomos de hidrógeno, que más tarde fue popularizada como la fórmula de Rydberg por el físico sueco Ridberg. En 1900, el físico alemán Max Planck propuso el concepto de cuantificación de energía y explicó el espectro de radiación del cuerpo negro. En 1905, Einstein propuso el concepto de cuantos de luz. Estas conclusiones dieron a Bohr una gran inspiración.
Inspirándose en estos, Bohr aplicó el concepto de cuantificación al modelo atómico en 1913 y propuso el modelo del átomo de hidrógeno de Bohr. La clave de este modelo son tres supuestos hechos por Bohr. Supuesto de estado estacionario: los electrones sólo pueden moverse en algunas órbitas discretas y no irradiarán ondas electromagnéticas. La condición de frecuencia supone que la diferencia de niveles de energía es la misma que la energía del fotón absorbida (o emitida) por el átomo. La cuantificación del momento angular supone que el momento angular de un electrón es un múltiplo entero de la constante de Planck. A través de una serie de deducciones, el misterio del espectro del hidrógeno surgió gradualmente y logró un gran éxito. Bohr ganó el Premio Nobel en 1922. Aunque el modelo de Bohr parece tosco ahora, su importancia no reside en el modelo en sí, sino en los conceptos introducidos al establecerlo: estado estacionario, niveles de energía, transiciones, etc. Bohr introdujo el principio de correspondencia para conciliar el conflicto entre el modelo del átomo de hidrógeno y la mecánica clásica. Después de que Bohr tuvo éxito, rechazó la invitación de su mentor Rutherford, regresó a su patria y estableció un instituto en Copenhague (más tarde rebautizado como Instituto Bohr). El Instituto Bohr ha atraído a un gran número de destacados jóvenes físicos de todo el mundo, incluidos los fundadores de la teoría cuántica, Heisenberg, Pauli, Dirac, etc., formando una fuerte atmósfera académica. En ese momento, Copenhague comenzó a explorar las leyes básicas de la física.