¿Qué etapas históricas ha atravesado la humanidad en el proceso de exploración de los misterios de la estructura atómica?
Desde que Dalton descubrió el átomo, la historia de la evolución del modelo atómico ha pasado por varias teorías y cambios importantes. Los detalles son los siguientes:
Descubrimiento:
Desde que el químico y físico británico J. John Dalton (1766 ~ 1844) (en la foto de la derecha) fundó la teoría atómica, durante mucho tiempo la gente pensó que el átomo era como una bola de vidrio sólida extremadamente pequeña, no hay más trucos en él.
Desde que el científico alemán Hitov descubrió los rayos catódicos en 1869, un gran número de científicos como Crooks, Hertz, Lerner y Thomson han estudiado los rayos catódicos durante más de 20 años. Finalmente, Joseph John Thomson descubrió la existencia de los electrones. 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.
2. Historia de la evolución del modelo:
1. Modelo del átomo neutro
En 1902, el físico alemán Philipp Edward Anton Lenard (1862- 1947) propuso el modelo neutro. Submodelo cinético de partículas. 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 alrededor del 10% (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.
2. Modelo atómico de bola cargada sólida
El famoso físico e inventor británico Lord Kelvin (1824～1907) fue originalmente nombrado W. Thomson (William Thomson). 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.
3. Modelo de tarta de pasas
Joseph John Thomson (1856-1940) continuó realizando investigaciones más sistemáticas e intentó 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 como resultado similitudes estructurales periódicas, y también se puede explicar la repetición repetida de propiedades físicas y químicas en la tabla periódica de Mendeleev.
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.
4. 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 en 1904 el artículo "Electron El movimiento en los átomos explicando la espectroscopia lineal y de bandas y los fenómenos radiactivos" se publicó en revistas japonesas, británicas y alemanas, respectivamente. 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", es decir, 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 del átomo. 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.
5. Modelo del sistema solar
El físico británico Ernest Rutherford (1871-1937) llegó al Laboratorio Cavendish en el Reino Unido en 1895 y siguió a Thomson, estudió y se convirtió en el primer estudiante graduado de Thomson en exterior. 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 helio 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 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. 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 ángulo grande, 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, 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 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 una partícula alfa es disparada directamente al núcleo de un átomo, es probable que rebote. 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 del 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". Le 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".
6. Modelo de Bohr
Rutherford La teoría atrajo a un joven de Dinamarca, su nombre es Niels Bohr (1885-1962), basándose en el modelo de Rutherford, propuso la órbita cuantificada de los electrones fuera del núcleo y resolvió el problema de la estabilidad de la estructura sexual. , y esbozó 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 de los materiales, y derivó la ley de radiación de Planck. 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.
7. Modelo nuclear
Hay más de una docena de premios Nobel entre los alumnos de Rutherford, los famosos son Bohr, Chadwick y Cockrov Te, Kapitsa, Hahn, etc. Después Tras el descubrimiento del núcleo atómico, Rutherford utilizó rayos alfa para bombardear el núcleo de nitrógeno en 1919, logrando la "alquimia" y la primera reacción nuclear en la historia de la humanidad. A partir de ahora los elementos ya no son cosas eternas. A través de una serie de reacciones nucleares, Rutherford descubrió que los protones, es decir, los iones de hidrógeno, son los componentes de todos los núcleos atómicos, y predijo el neutrón. El neutrón fue descubierto más tarde por su alumno Chadwick y finalmente estableció la relación entre protones y neutrones. Modelo básico de estructura nuclear. 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, mientras Gran Bretaña estaba en un estado de agitación, no olvidemos a los Curie en Francia, porque las bombas atómicas necesarias para la serie de descubrimientos de Rutherford eran partículas alfa emitidas por elementos radiactivos (especialmente radio). En ese momento, se estableció el Laboratorio Curie en Francia. Curie murió en un accidente automovilístico. Marie ganó otro Premio Nobel de Química por sus logros en radioactividad. Después del Laboratorio Curie, se transmitió el famoso libro "Teoría general de la radiactividad". El joven Curie y su esposa: Organizado por Joliot Curie y Hélène Curie, el evento también está lleno de talentos y no es inferior a los tres grandes lugares santos. Los Curie tuvieron un poco de mala suerte: descubrieron los neutrones antes que Chadwick, los positrones antes que Anderson y la fisión nuclear antes que Hahn. La oportunidad fue fugaz. Pero al final ganó el Premio Nobel por el descubrimiento de la radiactividad artificial. Hoy en día, existen miles de isótopos radiactivos, la mayoría de los cuales se producen artificialmente, gracias a los cada vez más jóvenes Curie.
El modelo nuclear tuvo éxito experimentalmente, pero estaba en serio conflicto con la teoría básica de la época. Según la electrodinámica clásica, debido al movimiento circular de los electrones, definitivamente irradiarán 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 y son estables, emitiendo espectros lineales, respaldados 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. Al final, encontró una modificación fundamental del modelo nucleado que podía explicar la estabilidad del átomo y calcular su radio. Se trata de Niels Bohr, tan famoso como Einstein.
En 1885, Balmer, un profesor de matemáticas suizo, descubrió una fórmula empírica para el espectro visible de los átomos de hidrógeno, que más tarde fue popularizada como fórmula de Rydberg por el físico sueco Ridberg. En 1900, el físico alemán 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 inspiraron mucho a Bohr. Bajo esta inspiración, 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 introducidos por Bohr. Supuesto estacionario: los electrones sólo pueden moverse en algunas órbitas discretas y no irradian ondas electromagnéticas. Supuesto de condición de frecuencia: la diferencia del nivel de energía es la misma que la energía del fotón absorbida (o emitida) por el átomo. Hipótesis de cuantificación del momento angular: el momento angular de un electrón es un múltiplo entero de aproximadamente la constante de Planck. A través de una serie de derivaciones, 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 relativamente 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 del éxito de Bohr, rechazó la invitación de su mentor Rutherford, regresó a su patria y fundó un instituto en Copenhague (más tarde rebautizado como Instituto Bohr). El Instituto Bohr atrajo a un gran número de destacados científicos jóvenes de todo el mundo. , incluidos Heisenberg, Pauli y Dirac, los fundadores de la teoría cuántica, formaron una fuerte atmósfera académica. En ese momento, Copenhague comenzó a explorar las leyes físicas básicas.