Comprensión de la evolución de la estructura atómica.
Demócrito creía que todas las cosas están compuestas de átomos, y los átomos son bolas sólidas que no se pueden dividir más.
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 |
Durante mucho tiempo después de que el químico y físico británico J. John Dalton (1766~1844) (en la foto a la derecha) fundara la teoría atómica, la gente en el país piensa que el átomo es como una bola de cristal sólida, extremadamente pequeña, y en su interior no hay más trucos.
Desde que el científico alemán Hitov descubrió los rayos catódicos en 1869, un gran número de científicos como Crookes, Hertz, Lerner y Thomson han estudiado los rayos catódicos durante más de 20 años. Finalmente, Joseph John Thomson descubrió la existencia de los electrones (visite el Foro de Ciencia y Tecnología "Misteriosa Fluorescencia Verde"). Normalmente, los átomos no están cargados, dado que los electrones cargados negativamente que son 1.700 veces más pequeños que su masa pueden escapar del átomo, esto muestra que todavía hay estructura dentro del átomo, y también muestra que todavía hay cosas cargadas positivamente en el átomo. Debería neutralizar la carga negativa que transportan los electrones, haciendo que los átomos sean neutros.
¿Qué más hay además de electrones en un átomo? ¿Cómo se quedan los electrones en un átomo? ¿Qué tiene una carga positiva en un átomo? ¿Cómo se distribuye la carga positiva? ¿Las cosas interactúan? Una serie de nuevas preguntas enfrentan a los físicos. Basándose en la práctica científica y las observaciones experimentales de aquella época, los físicos utilizaron su rica imaginación para proponer varios modelos atómicos.
Modelo atómico de estructura planetaria
El modelo estructural propuesto por el físico francés Jean Baptiste Perrin (1870-1942) (en la foto de la izquierda) en 1901 creía que el centro del átomo es un cinturón. Las partículas cargadas positivamente están rodeadas por algunos electrones en órbita. El período de órbita de los electrones corresponde a la frecuencia de las líneas espectrales emitidas por los átomos. Cuando los electrones más externos son expulsados, emiten rayos catódicos.
Modelo del átomo neutro
En 1902, el físico alemán Philipp Edward Anton Lenard (1862-1947) (en la foto de la derecha) propuso el modelo del átomo cinético de partículas neutras. Las primeras observaciones de Leonard mostraron que los rayos catódicos podían atravesar las ventanas de aluminio del tubo de vacío y alcanzar el exterior del tubo. Basándose en esta observación, utilizó experimentos de absorción para demostrar en 1903 que los rayos catódicos de alta velocidad pueden atravesar miles de átomos. Según las opiniones semimaterialistas predominantes en ese momento, la mayor parte del volumen de los átomos es espacio vacío, y la materia rígida representa sólo aproximadamente el 10-9 (es decir, la cienmilésima parte) de su volumen total. Leonard imaginó que la "materia rígida" era una combinación de varias cargas positivas y negativas esparcidas en el espacio interior de los átomos.
Modelo atómico de esfera cargada sólida
El famoso físico e inventor británico Lord Kelvin (1824～1907) (en la foto a la izquierda) fue originalmente nombrado W. Thomson por su contribución a la instalación de. el primer cable submarino del Atlántico, el gobierno británico lo nombró caballero en 1866 y fue ascendido a Lord Kelvin en 1892, y comenzó a usar el nombre Kelvin. El rango de investigación de Kelvin es amplio y ha realizado contribuciones en aplicaciones térmicas, electromagnéticas, mecánica de fluidos, óptica, geofísica, matemáticas, ingeniería, etc. Publicó más de 600 artículos a lo largo de su vida y obtuvo 70 patentes de invención. Gozó de una gran reputación en la comunidad científica de la época. Kelvin propuso el modelo atómico de bola sólida cargada en 1902, que consideraba a los átomos como esferas uniformemente cargadas positivamente con electrones cargados negativamente enterrados en ellas. En condiciones normales, se encuentran en equilibrio electrostático. Este modelo fue desarrollado posteriormente por J.J. Thomson y más tarde se conoció como modelo atómico de Thomson.
Modelo de pastel de pasas
Joseph John Thomson (1856-1940) (en la foto de la derecha) continuó una investigación más sistemática en un intento de representar la estructura atómica. Thomson creía que los átomos contienen una esfera positiva uniforme con varios electrones negativos dentro de esta esfera. Tras las investigaciones de Alfred Mayer sobre el equilibrio de los imanes flotantes, demostró que si el número de electrones no supera un cierto límite, un anillo formado por estos electrones en movimiento será estable. Si el número de electrones excede este límite, se formarán dos anillos, y así sucesivamente hasta formar múltiples anillos. De esta manera, el aumento de electrones da lugar a similitudes estructurales periódicas, y también se puede explicar la repetición repetida de propiedades físicas y químicas en la tabla periódica de Mendeleyev.
En este modelo propuesto por Thomson, la distribución de electrones en una esfera es un poco como las pasas esparcidas 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. Además, según este modelo, se puede estimar que el tamaño del átomo es de unos 10 a 8 centímetros, lo cual es una gran cosa, dado que el modelo de Thomson puede explicar muchos hechos experimentales en ese momento, es fácilmente aceptado por muchos físicos.
Modelo de Saturno
El físico japonés Nagaoka Hantaro (1865-1950) hizo una presentación oral en la Sociedad de Física Matemática de Tokio el 5 de diciembre de 1903 y la presentó por separado en 1904. El artículo " "Movimientos de electrones en átomos explicando la espectroscopia lineal y de bandas y los fenómenos radiactivos" se publicó en revistas japonesas, británicas y alemanas. 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 con un anillo de electrones que gira alrededor de un núcleo cargado positivamente. Una bola masiva cargada positivamente tiene un círculo de electrones equiespaciados en la periferia que se mueven en círculo con la misma velocidad angular. La vibración radial de los electrones emite un espectro lineal y la vibración perpendicular a la superficie del anillo emite un espectro de bandas. Los electrones que salen del anillo son rayos beta y las partículas cargadas positivamente que salen de la esfera central son rayos alfa.
Este modelo similar a Saturno fue muy influyente en su posterior establecimiento del modelo nuclear de los átomos. En 1905, analizó resultados experimentales como la medición de la relación carga-masa de partículas alfa y concluyó que las partículas alfa eran iones de helio.
En 1908, el científico suizo Leeds propuso el modelo del átomo magnético.
Sus modelos pueden explicar algunos hechos experimentales en ese momento hasta cierto punto, pero no pueden explicar muchos resultados experimentales nuevos que aparecerán en el futuro, por lo que no se han desarrollado más. Unos años más tarde, el "modelo de pastel de pasas" de Thomson fue anulado por su propio alumno Rutherford.
Modelo del sistema solar - modelo del átomo nuclear
El físico británico Ernest Rutherford (1871～1937) llegó al laboratorio de Cavendish, Inglaterra, en 1895, estudió con Thomson y se convirtió en el primer estudiante graduado de Thomson en el extranjero. . Rutherford fue estudioso y diligente. Bajo la dirección de Thomson, Rutherford descubrió los rayos alfa mientras realizaba su primer experimento, el experimento de absorción radiactiva.
En un ingenioso experimento diseñado por Rutherford, colocó uranio, radio y otros elementos radiactivos en un recipiente de plomo, dejando sólo un pequeño agujero en el recipiente de plomo. Debido a que el plomo puede bloquear la radiación, sólo una pequeña porción de la radiación emerge del agujero en un haz de radiación muy estrecho. Rutherford colocó un imán fuerte cerca del haz de radiación y descubrió que había un tipo de rayo que no se veía afectado por el imán y seguía viajando en línea recta. El segundo tipo de rayo es afectado por el imán y se desvía hacia un lado, pero no demasiado. El tercer tipo de rayo está muy desviado.
Rutherford colocó materiales de diferentes espesores en la dirección de la radiación y observó cómo se absorbía la radiación. El primer tipo de rayo no se ve afectado por el campo magnético, lo que significa que no está cargado y tiene un fuerte poder de penetración. Los materiales comunes como el papel y las astillas de madera no pueden bloquear el avance del rayo. Sólo el plomo relativamente grueso puede bloquearlo por completo. eso, llamados rayos gamma. El segundo tipo de rayo se verá afectado por el campo magnético y se desviará hacia un lado. Se puede juzgar por la dirección del campo magnético que este rayo tiene carga positiva. El poder de penetración de este rayo es muy débil y puede ser. completamente bloqueado con un trozo de papel. Este es el rayo alfa descubierto por Rutherford. Se considera que 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 y se llama rayos beta. Rutherford estaba particularmente interesado en los rayos alfa, que él mismo descubrió. Después de una investigación profunda y detallada, señaló que los rayos alfa son corrientes de partículas cargadas positivamente, y 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 Hans Geiger (1882-1945), un estudiante alemán, y puede usarse para medir partículas cargadas eléctricamente que son invisibles a simple vista. Cuando las partículas cargadas pasan a través del tubo de conteo, el tubo de conteo emite una señal eléctrica. Cuando esta señal eléctrica se conecta a la alarma, el instrumento emitirá un sonido de "clic" y la luz indicadora se encenderá. Los rayos invisibles e intangibles se pueden registrar y medir utilizando instrumentos muy sencillos. Este instrumento se llama contador Geiger. Con la ayuda de tubos contadores Geiger, el laboratorio de Manchester dirigido por Rutherford desarrolló rápidamente sus investigaciones sobre las propiedades de las partículas alfa.
En 1910, E. Marsden (1889-1970) llegó a la Universidad de Manchester y le pidió que usara partículas alfa para bombardear láminas de oro, realizar experimentos y utilizar una pantalla fluorescente para registrar esas partículas. que pasó a través de la lámina de oro. Según el modelo de la torta de pasas de Thomson, los electrones con masas pequeñas se distribuyen en una sustancia uniformemente cargada positivamente, y la partícula alfa es un átomo de nitrógeno que ha perdido dos electrones y su masa es miles de veces mayor que la de los electrones. Cuando una capa tan pesada golpea un átomo, los diminutos electrones no son rival para él. La materia positiva de los átomos de oro se distribuye uniformemente por todo el volumen atómico y es imposible resistir el bombardeo de partículas alfa. En otras palabras, las partículas alfa pasarán fácilmente a través de la lámina de oro. Incluso si están un poco bloqueadas, solo cambiarán ligeramente la dirección de las partículas alfa después de atravesar la lámina de oro. Rutherford y Geiger habían realizado este tipo de experimento muchas veces y sus observaciones concordaban bastante con el modelo de pastel de pasas de Thomson. La partícula alfa cambia ligeramente de dirección debido a la influencia de los átomos de oro y su ángulo de dispersión es extremadamente pequeño.
Marsden (en la foto de la izquierda) y Geiger repitieron este experimento que se había hecho muchas veces, ¡y ocurrió un milagro! No solo observaron partículas alfa dispersas, sino que también observaron partículas alfa reflejadas por la lámina de oro. Partículas alfa.
Rutherford describió la escena en un discurso en sus últimos años. Dijo: "Recuerdo que dos o tres días después, Geiger vino a verme muy emocionado y me dijo: 'Tenemos algunas partículas alfa reflejadas... ....' Este es el evento más increíble de mi vida. Es tan increíble como disparar una bala de cañón de 15 pulgadas a un papel de fumar y ser golpeado por la bala de cañón reflejada. Después de pensarlo, me di cuenta de que este tipo de retrodispersión solo puede ser el resultado. de una sola colisión, vi que es imposible obtener este orden de magnitud sin considerar que la mayor parte de la masa atómica se concentra en un núcleo muy pequeño." /p>
Lo que dijo Rutherford "después de pensar". No estaba pensando durante uno o dos días, sino pensando durante uno o dos años. Después de realizar muchos experimentos, cálculos teóricos y una cuidadosa consideración, propuso audazmente el modelo del átomo nucleado, anulando el modelo del átomo de bola sólida cargada de su maestro Thomson.
Después de que Rutherford verificara que las partículas alfa reflejadas en el experimento de su estudiante eran efectivamente partículas alfa, midió cuidadosamente el número total de partículas alfa reflejadas. Las mediciones mostraron que, en sus condiciones experimentales, una partícula alfa se reflejaba por cada ocho mil 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 α, pero no pueden explicar la dispersión de ángulo grande. La dispersión múltiple puede producir dispersión de gran ángulo, pero los resultados de los cálculos muestran que la probabilidad de dispersión múltiple es extremadamente pequeña, lo que está lejos de la observación mencionada anteriormente de que una de cada ocho mil partículas alfa se refleja.
El modelo atómico de Thomson no puede explicar la dispersión de partículas alfa. Después de un cuidadoso cálculo y comparación, Rutherford descubrió que sólo suponiendo que las cargas positivas se concentran en un área pequeña, cuando las partículas alfa pasan a través de un solo átomo, sólo entonces. ¿Puede ocurrir dispersión de gran ángulo? Es decir, la carga positiva del átomo debe concentrarse en un núcleo muy pequeño 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 propuesto por Rutherford es como un sistema solar: el núcleo atómico cargado positivamente es como el sol y los electrones cargados negativamente son como los planetas que orbitan alrededor del sol. En este "sistema solar", la fuerza que los gobierna es la fuerza de interacción electromagnética. Explicó que la materia cargada positivamente en el átomo se concentra en un núcleo muy pequeño, y la mayor parte de la masa atómica también se concentra en este núcleo muy pequeño. Cuando se dispara una partícula alfa directamente al núcleo de un átomo, es probable que rebote (imagen de la izquierda). Esto explica satisfactoriamente la dispersión de gran ángulo de las partículas alfa. Rutherford publicó un artículo famoso "Dispersión de partículas alfa y beta por la materia y su estructura principal".
La teoría de Rutherford abrió nuevas formas de estudiar la estructura atómica e hizo contribuciones inmortales 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 permanecen estables fuera del núcleo. El modelo de Saturno propuesto por Nagaoka Hantaro en 1904 fracasó porque no pudo superar la dificultad de la estabilidad. Por lo tanto, cuando Rutherford propuso el modelo del átomo nuclear, muchos científicos lo consideraron como una conjetura o simplemente como uno de varios modelos, ignorando la base sólida sobre la que Rutherford propuso el modelo.
Rutherford tenía una visión extraordinaria y a menudo era capaz de captar la esencia y hacer predicciones científicas. Al mismo tiempo, tiene una actitud científica muy rigurosa y saca las conclusiones que se deben sacar basándose en hechos experimentales. Rutherford cree que el modelo que propuso aún es imperfecto y necesita más investigación y desarrollo. Al comienzo de su artículo afirmó: "En esta etapa, no es necesario considerar la estabilidad de los átomos mencionados, porque obviamente dependerá de la estructura fina de los átomos y del movimiento de los componentes cargados". Escribió a un amigo ese año y dijo: "Espero que dentro de uno o dos años podamos tener una idea más clara de la estructura del átomo".
Modelo de Bohr
La teoría de Rutherford atrajo un hombre de Dinamarca Un joven llamado Niels Bohr (1885-1962) (en la foto de la izquierda), basándose en el modelo de Rutherford, propuso la órbita cuantificada de los electrones fuera del núcleo y resolvió la estructura atómica. El problema de la estabilidad ha sido resuelto, y un Se ha descrito una teoría completa y convincente de la estructura atómica.
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, durante el cual se concibió su teoría atómica. Bohr primero extendió la hipótesis cuántica de Planck a la energía dentro del átomo para resolver las dificultades de estabilidad del modelo atómico de Rutherford. Se suponía que un átomo solo puede cambiar su energía a través de cuantones de energía discretos, es decir, un átomo solo puede hacerlo de forma discreta. estados estacionarios, y el estado estacionario más bajo es el estado normal del átomo. Luego, inspirado por su amigo Hansen, llegó al concepto de transición estacionaria a partir de la ley de combinación de líneas espectrales. Publicó tres partes de un extenso artículo "Sobre la estructura atómica y la estructura molecular" en julio, septiembre y noviembre de 1913.
La teoría atómica de Bohr da esta imagen atómica: los electrones se mueven en círculo alrededor del núcleo en algunas órbitas posibles específicas, y cuanto más lejos del núcleo, mayor es la energía que determinan las posibles órbitas; momento angular del electrón está 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 lo hace. emitir o absorber energía y emitir o absorber energía La radiación es de frecuencia única y la relación entre la frecuencia y la energía de la radiación está 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 el desarrollo de la teoría cuántica. En 1915, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) amplió la teoría atómica de Bohr para incluir órbitas elípticas, consideró el efecto de la relatividad especial en el que la masa de los electrones cambia con su velocidad y derivó los detalles finos del espectro. es consistente con el experimento.
En 1916, Albert Einstein (1879-1955) partió de la teoría atómica de Bohr y utilizó métodos estadísticos para analizar el proceso de absorción y emisión de radiación del material, y derivó la ley de radiación de Planck (Bohr y Einstein en la foto). izquierda). Este trabajo de Einstein sintetizó los logros de la primera etapa de la teoría cuántica y combinó el trabajo de Planck, Einstein y Bohr en un todo.
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