La historia del desarrollo de la estructura atómica.
Varios modelos atómicos
——El proceso de exploración de la estructura atómica
|Modelo de estructura planetaria|Modelo neutral|Modelo de bola cargada sólida|Modelo de torta de pasas Saturno| modelo | Modelo del sistema solar | Modelo de Bohr |
Desde que el químico y físico británico Dalton (J. John Dalton, 1766 ~ 1844) (en la foto a la derecha) fundó la teoría atómica, la gente siempre ha pensado que un El átomo es como una pequeña bola de vidrio sólida 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 (visite la "Misteriosa Fluorescencia Verde" en el Parque Científico). 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.
Además de los electrones, ¿qué más hay en un átomo? ¿Cómo permanecen los electrones en los átomos? ¿Qué tiene carga positiva en un átomo? ¿Cómo se distribuye la carga positiva? ¿Cómo interactúan los electrones cargados negativamente con los objetos cargados positivamente? Los físicos enfrentan muchas preguntas nuevas. Basándose en las prácticas científicas y las observaciones experimentales de la época, los físicos utilizaron su rica imaginación para proponer varios modelos atómicos.
Modelo atómico de estructura planetaria
En 1901, el físico francés Jean-Baptiste Pirin (1870-1942) (izquierda) propuso un modelo estructural, argumentando que en el centro del átomo se encuentran algunas partículas cargadas positivamente, y en la periferia hay algunos electrones en órbita. El período de la órbita del electrón corresponde a la frecuencia de la línea espectral emitida por el átomo, la capa más externa.
Modelo del átomo neutro
En 1902, el físico alemán Learnard (1862-1947) (derecha) propuso un submodelo de dinámica de partículas neutras. 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 de la época, el volumen de los átomos estaba en su mayor parte vacío, y la materia rígida era sólo de aproximadamente 10-9 (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.
Modelo de átomo de bola sólida cargada
Lord Kelvin (1824 ~ 1907) (en la foto de la izquierda), un famoso físico e inventor británico, anteriormente conocido como William Tang Musun. Por sus servicios en la instalación del primer cable submarino del Atlántico, el gobierno británico lo nombró caballero en 1866 y 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.
Modelo de pastel de pasas
Joseph John Thomson (1856-1940) (derecha) continuó su investigación más 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.
Modelo de Saturno
Nagaoka Kantaro (1865-1950) publicó oralmente en la Sociedad de Física Matemática de Tokio en 1903 y 1904, y publicó "Explanation" en revistas japonesas, inglesas y alemanas en 1904 Espectro lineal y de banda. 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 posterior modelo 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.
Modelo del sistema solar - modelo del átomo nuclear
El físico británico Ernest Rutherford (1871 ~ 1937) llegó al Laboratorio Cavendish en el Reino Unido en 1895. Estudió con Thomson y se convirtió 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 la partícula alfa es un átomo de nitrógeno que ha perdido dos electrones y su masa es miles de veces mayor que la del electrón. 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 (izquierda) y Geiger repitieron el experimento 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.
Rutherford comprobó que las partículas alfa reflejadas en el experimento de su alumno eran efectivamente partículas alfa y luego midió cuidadosamente el número total de partículas alfa reflejadas. 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 (izquierda). 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 perspicacia 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. Declara al comienzo del 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 carta a un amigo de ese año, también dijo: "Espero poder dar algunas opiniones más claras sobre la estructura atómica en uno o dos años". ”
Modelo de Bohr
La teoría de Rutherford atrajo a un joven de Dinamarca, su nombre era Niels Bohr (1885-1962) (izquierda). Basado en el modelo de Rutherford, propuso el modelo cuantizado. órbita de los electrones fuera del núcleo, resolvió el problema de la estabilidad de la estructura atómica y describió una teoría completa y convincente de la estructura atómica.
Bohr nació en una familia de profesores en Copenhague. Doctorado por la Universidad de Copenhague en 1912. Estudió en el laboratorio de Rutherford de marzo a julio de 1912, tiempo durante el cual nació la teoría atómica de Bohr. La hipótesis cuántica de Gram se extendió a la energía dentro de los átomos para resolver la dificultad de la estabilidad atómica de Rutherford. modelo, suponiendo que los átomos solo pueden cambiar de energía a través de fotones de energía discretos, es decir, los átomos solo pueden estar en estados estables discretos, y el estado estable más bajo es el estado atómico. Luego, inspirado por su amigo Hansen, derivó el concepto de estado estable. -Transición de estado a partir de la ley de combinación de líneas espectrales. Publicó su extenso artículo "Sobre la estructura atómica y la estructura molecular" en julio y septiembre de 1913. "Tres partes de la teoría atómica de Bohr". imagen de un átomo: los electrones se mueven alrededor del núcleo en una órbita posible específica Cuanto más lejos del núcleo, mayor será la energía de las órbitas posibles. Está determinada por el hecho de que el momento angular del electrón debe ser 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 emisión o la radiación absorbida es de frecuencia única. de la radiación está dada por e = h ν. La teoría de Bohr explicó con éxito la estabilidad de los átomos y las reglas 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 las elipses y tiene en cuenta los efectos relativistas especiales de la masa del electrón en función de su velocidad. 191955, Albert Einstein (1879-1955) según Bohr La teoría atómica analizó estadísticamente el proceso de absorción y emisión de radiación del material y derivó la ley de radiación de Planck (a la izquierda están los trabajos de Bohr y Einstein sintetizados los resultados de la primera). Etapa de la teoría cuántica y la ley de radiación de Planck combinada. El trabajo de Keji, Einstein y Bohr se integra en un todo.