Výsledky Učení

  • Nastínit milníky ve vývoji moderní atomové teorie
  • Shrnout a interpretovat výsledky experimentů Thomson, Millikanův, a Rutherford
  • Popsat tři subatomární částice, které tvoří atomy
  • Definovat izotopy a dát příklady pro několik prvků

Ve dvou staletí od Dalton vyvinul jeho nápady, vědci učinili významný pokrok v prohlubování našeho porozumění atomové teorie., Hodně z toho pocházelo z výsledků několika klíčových experimentů, které odhalily podrobnosti o vnitřní struktuře atomů. Zde budeme diskutovat o některých z těchto klíčových vývojů s důrazem na aplikaci vědecké metody a pochopení toho, jak byly analyzovány experimentální důkazy. Zatímco historické osoby a data za těmito experimenty mohou být docela zajímavé, je nejdůležitější pochopit pojmy vyplývající z jejich práce.

atomová teorie po devatenáctém století

Pokud byla hmota složena z atomů, z čeho byly atomy složeny?, Byly to nejmenší částice, nebo tam bylo něco menšího? V pozdních 1800s, řada vědců se zajímá o otázky, jako jsou tyto zkoumal elektrické výboje, které by mohly být vyráběny v low-tlak plynů, s nejvýznamnější objev učinil anglický fyzik j. J. Thomson pomocí katodové trubice. Toto zařízení sestávalo z uzavřené skleněné trubice, ze které byl odstraněn téměř veškerý vzduch; trubice obsahovala dvě kovové elektrody. Když bylo na elektrody aplikováno vysoké napětí, objevil se mezi nimi viditelný paprsek nazývaný katodový paprsek., Tento paprsek byl vychýlen směrem k kladnému náboji a od záporného náboje a byl vyroben stejným způsobem se stejnými vlastnostmi, když byly pro elektrody použity různé kovy. V podobné experimenty, ray byl současně vychýlen aplikovaného magnetického pole a měření míry deformace a síly magnetického pole povoleno Thomson k výpočtu poplatku,-k-hmotnostní poměr katodové částice. Výsledky těchto měření ukázaly, že tyto částice byly mnohem lehčí než atomy (Obrázek 1).,

Obrázek 1. a) J.J. Thomson vytvořil viditelný paprsek v katodové trubici. b) jedná se o ranou katodovou trubici, vynalezenou v roce 1897 Ferdinandem Braunem. (c) V katodové, paprsek (zobrazeny žlutě) pochází z katody a urychlené minulosti anoda směrem fluorescenční měřítku na konci trubice. Současné vychýlení aplikovanými elektrickými a magnetickými poli umožnilo Thomsonovi vypočítat poměr hmotnosti k náboji částic tvořících katodový paprsek., (kredit: úprava práce tím, že Nobelova Nadace; credit b: změna práce Eugen Nesper; kreditní c: změna práce „Kurzon“/Wikimedia Commons)

na Základě svého pozorování, zde je to, co Thomson navrhl a proč: částice jsou přitahovány kladné (+) poplatky a odrazil tím, negativní (-) poplatky, a proto musí být negativně nabité (jako náboje odpuzují a opačné náboje se přitahují); jsou méně masivní než atomy a k nerozeznání, bez ohledu na zdroj materiálu, a proto musí být zásadní, subatomární složek všech atomů., I když kontroverzní v době, Thomson nápad byl postupně přijat, a jeho katodové částice, je to, co dnes nazýváme elektron, záporně nabitá, subatomové částice s hmotností více než jeden tisíc krát méně, že z atomu. Termín “ elektron „byl vytvořen v roce 1891 irským fyzikem Georgem Stoneyem z „electric ion“.“

klikněte na tento odkaz na „JJ Thompson mluví o velikosti elektronu“, abyste slyšeli, jak Thomson popisuje svůj objev svým vlastním hlasem.

v roce 1909 odhalil další informace o elektronu americký fyzik Robert A., Millikan prostřednictvím svých experimentů „oil drop“. Millikanův vytvořené mikroskopické kapičky oleje, které by mohly být elektricky nabité třením, jak se tvoří nebo pomocí X-paprsky. Tyto kapičky zpočátku padaly kvůli gravitaci, ale jejich postup směrem dolů mohl být zpomalen nebo dokonce obrácen elektrickým polem nižším v přístroji. Úpravou pevnosti elektrického pole a pečlivým měřením a vhodnými výpočty byl Millikan schopen určit náboj na jednotlivých kapkách (Obrázek 2).

Obrázek 2., Millikanův experiment měřil náboj jednotlivých kapek oleje. Tabulková data jsou příklady několika možných hodnot.

při Pohledu na náboj data, která Millikanův shromáždili, můžete si uvědomili, že náboj olejové kapky je vždy násobkem konkrétní obvinění, a to o 1,6 × 10-19 C. Millikanův k závěru, že tato hodnota musí být proto základní náboj—náboj elektronu—s jeho měřené poplatků v důsledku nadměrné jeden elektron (1 krát a 1,6 × 10-19 C), dva elektrony (2 krát a 1,6 × 10-19 C), tři elektrony (3 krát 1.,6 × 10-19 C) a tak dále na dané kapičce oleje. Protože náboj elektronu byl nyní známý díky Millikanův výzkumu a poplatku,-k-hmotnostní poměr byl již známý díky Thomson výzkumu (1.759 × 1011 C/kg), je nutné pouze jednoduchým výpočtem určit hmotnost elektronu jako no.

\text{množství elektron}=1.602\times {10}^{-19}\text{C}\times\frac{1\text{kg}}{1.759\times {10}^{11}\text{C}}=9.,107\times {10}^{-31}\text{kg}

Vědci se nyní zjištěno, že atom není nedělitelný, jak Dalton věřil, a vzhledem k práci Thomson, Millikanův, a další, náboj a hmotnost negativní, subatomární částice—elektrony—jsou známé. Pozitivně nabitá část atomu však ještě nebyla dobře pochopena. V roce 1904, Thomson navrhl „vánoční pudink“ model atomů, které popsal kladně nabité hmoty s stejné množství negativního náboje ve formě elektronů v něm obsažen, protože všechny atomy jsou elektricky neutrální., Konkurenční model byl navržen v roce 1903 Hantaro Nagaoka, který postuloval Saturn-jako atom, skládající se z kladně nabité koule obklopené svatozáří elektronů (Obrázek 3).

obrázek 3. (a) Thomson navrhl, aby atomy připomínaly švestkový pudink, anglický dezert sestávající z vlhkého koláče s vloženými rozinkami („švestky“). (b) Nagaoka navrhl, aby atomy připomínaly planetu Saturn, s prstencem elektronů obklopujícím pozitivní „planetu.,“(kredit: úprava práce „Muž vyi“/Wikimedia Commons; credit b: změna práce „NASA“/Wikimedia Commons)

další hlavní vývoj v chápání atom pochází z Ernest Rutherford, fyzik z Nového Zélandu, kteří do značné míry strávil své vědecké kariéry v Kanadě a Anglii., Provedl sérii experimentů za použití paprsku o vysoké rychlosti, kladně nabité alfa částice (α částice), které byly produkované radioaktivním rozpadem radia; α částice se skládají ze dvou protonů a dvou neutronů (dozvíte se více o radioaktivní rozpad v modulu jaderná chemie)., Rutherford a jeho kolegové Hans Geiger (později známý Geigerův počítač) a Ernest Marsden zaměřený paprsek α částice, zdroj, který byl vložen do olověného bloku, aby absorbovat většinu záření, na velmi tenký kus zlaté fólie a zkoumal výsledný rozptyl α částic pomocí luminiscenční obrazovce, která zářila krátce, kde zasáhla α částic.

co objevili? Většina částic prošla skrz fólii, aniž by byla vůbec odkloněna., Některé však byly mírně odkloněny a velmi malý počet byl vychýlen téměř rovně zpět ke zdroji (obrázek 4). Rutherford popsal nalezení těchto výsledků: „byla to docela nejneuvěřitelnější událost, která se mi kdy stala v mém životě. Bylo to skoro tak neuvěřitelné, jako kdybyste vystřelil 15palcovou skořápku na kus hedvábného papíru a vrátil se a zasáhl vás.“

obrázek 4., Geiger a Rutherford vystřelil α částic na kus zlaté fólie a zjistil, kde se tyto částice šel, jak je znázorněno v tomto schématu jejich experimentu. Většina částic prošla přímo fólií, ale několik z nich bylo mírně vychýleno a velmi malé množství bylo výrazně vychýleno.

zde je to, co Rutherford odvodil: protože většina rychle se pohybujících α částic prošla nedeflektovanými atomy zlata, musela cestovat v podstatě prázdným prostorem uvnitř atomu., Alfa částice jsou kladně nabité, takže deformace vznikly, když se setkaly s dalším pozitivním nábojem (jako náboje se navzájem odpuzují). Vzhledem k tomu, že se podobné náboje navzájem odpuzují, několik kladně nabitých α částic, které náhle změnily cesty, muselo zasáhnout nebo těsně přistupovat k jinému tělu, které mělo také vysoce koncentrovaný pozitivní náboj. Vzhledem k tomu, že k vychýlení došlo malou část času, tento náboj zabíral pouze malé množství prostoru ve zlaté fólii., Rutherford podrobně analyzoval řadu takových experimentů a vyvodil dva závěry:

  1. objem obsazený atomem musí sestávat z velkého množství prázdného prostoru.
  2. malé, relativně těžké, kladně nabité tělo, jádro, musí být ve středu každého atomu.
zobrazit tuto simulaci Rutherford Gold fólie experimentu. Nastavte šířku štěrbiny vyrobit užší nebo širší paprsek α částice, aby viděli, jak to ovlivňuje rozptyl vzor.,

Tato analýza vedla Rutherford navrhl model, ve kterém atom se skládá z velmi malého, kladně nabitého jádra, ve kterém je většina hmoty atomu je soustředěna, obklopena záporně nabité elektrony, a to tak, že atom je elektricky neutrální (Obrázek 5). Po mnoha experimentech, Rutherford také zjistili, že jádra jiných prvků obsahují jádro vodíku jako „stavební blok“, a on jmenoval to více základních částic, protonu, kladně nabité, subatomární částice, která se nachází v jádře., S jedním přírůstkem, který se dozvíte dále, je tento jaderný model atomu, navržený před více než stoletím, stále používán dnes.

obrázek 5. Α částice jsou vychýleny pouze tehdy, když se srazí nebo procházejí v blízkosti mnohem těžšího, pozitivně nabitého zlatého jádra. Vzhledem k tomu, že jádro je ve srovnání s velikostí atomu velmi malé, je odkloněno jen velmi málo α částic. Většina projít poměrně velké oblasti obsazené elektrony, které jsou příliš lehké odvrátit rychle se pohybující částice.,

Rutherford Rozptyl simulace umožňuje zkoumat rozdíly mezi „vánoční pudink“ atom a Rutherford atom vypalováním α částic na každý typ atomu.

dalším důležitým zjištěním byl objev izotopů. Během počátku roku 1900 vědci identifikovali několik látek, které se zdály být novými prvky, a izolovali je od radioaktivních rud. Například „nový prvek“ produkovaný radioaktivním rozpadem thoria byl zpočátku pojmenován mesothorium., Podrobnější analýza však ukázala, že mesothorium bylo chemicky totožné s radiem (dalším produktem rozpadu), přestože mělo jinou atomovou hmotnost. Tento výsledek, spolu s podobnými závěry pro další prvky, led anglický chemik Frederick Soddy si uvědomit, že prvek mohl typy atomů s různou hmotností, které byly chemicky nerozlišitelné. Tyto různé typy se nazývají izotopy-atomy stejného prvku, které se liší hmotností. Soddy získal Nobelovu cenu za chemii v roce 1921 za tento objev.,

jedna hádanka zůstala: jádro bylo známo, že obsahuje téměř celou hmotnost atomu, přičemž počet protonů poskytuje pouze polovinu nebo méně této hmotnosti. Byly předloženy různé návrhy na vysvětlení toho, co představovalo zbývající hmotnost, včetně existence neutrálních částic v jádru. Jak se dalo očekávat, odhalování nenabité částice je velmi náročné, a to bylo až v roce 1932 James Chadwick našel důkazy, neutronů, nenabité, subatomární částice s hmotností přibližně stejnou jako protony., Existence neutronu také vysvětlila izotopy: liší se hmotností, protože mají různý počet neutronů, ale jsou chemicky identické, protože mají stejný počet protonů. To bude vysvětleno podrobněji později.

klíčové pojmy a shrnutí

přestože nikdo ve skutečnosti neviděl vnitřek atomu, experimenty prokázaly hodně o atomové struktuře. Thomsonova katodová trubice ukázala, že atomy obsahují malé, negativně nabité částice nazývané elektrony., Millikan zjistil, že existuje základní elektrický náboj—náboj elektronu. Rutherfordův experiment se zlatou fólií ukázal, že atomy mají malé, husté, pozitivně nabité jádro; kladně nabité částice uvnitř jádra se nazývají protony. Chadwick zjistil, že jádro také obsahuje neutrální částice zvané neutrony. Soddy prokázal, že atomy stejného prvku se mohou lišit v hmotnosti; tyto se nazývají izotopy.

zkuste to

  1. existence izotopů porušuje jednu z původních myšlenek Daltonovy atomové teorie. Který?,
  2. jak jsou elektrony a protony podobné? Jak se liší?
  3. jak jsou protony a neutrony podobné? Jak se liší?
  4. předpovídají a testují chování α částic vypálených na atom modelu „plum pudding“.
    1. Předvídat cesty přijatá α částice, které jsou vypalovány na atomy s Thomson je švestkový pudink struktury modelu. Vysvětlete, proč očekáváte, že částice α se vydají těmito cestami.,
    2. pokud jsou na atomy švestkového pudinku vypáleny α částice vyšší energie než částice v (a), předpovídejte, jak se jejich cesty budou lišit od cest částic α s nižší energií. Vysvětlete své úvahy.
    3. nyní otestujte své předpovědi z (a) A (b). Otevřete simulaci rozptylu Rutherfordu a vyberte kartu „Plum Pudding Atom“. Nastavte “ alfa částice energie „na“ min, „a zvolte“ Zobrazit stopy.“Klikněte na zbraň a začněte střílet α částice. Odpovídá to vaší předpovědi z (a)? Pokud ne, vysvětlete, proč by skutečná cesta byla ta, která je uvedena v simulaci. Stiskněte tlačítko pauzy nebo „resetovat vše“.,“Nastavte“ energii alfa částic “ na “ max “ a začněte vypalovat α částice. Odpovídá to vaší předpovědi z (b)? Pokud ne, vysvětlete vliv zvýšené energie na skutečné cesty, jak je znázorněno v simulaci.
  5. předpovídají a testují chování α částic vypálených na Rutherfordův model atomu.
    1. Předvídat cesty přijatá α částice, které jsou vypalovány na atomy s Rutherford atom model struktury. Vysvětlete, proč očekáváte, že částice α se vydají těmito cestami.,
    2. je-Li α částice vyšší energii než v (a) jsou vypalovány na Rutherfordovy atomy, předvídat, jak se jejich cesty budou lišit od nižší-energie α částic cesty. Vysvětlete své úvahy.
    3. předpovídají, jak se budou cesty, které částice α vedou, lišit, pokud budou vypáleny na Rutherfordovy atomy jiných prvků než zlata. Jaký faktor očekáváte, že způsobí tento rozdíl v cestách, a proč?
    4. nyní otestujte své předpovědi z (a), (b) A (c). Otevřete simulaci Rutherfordova rozptylu a vyberte kartu „Rutherford Atom“., Vzhledem k rozsahu simulace je nejlepší začít s malým jádrem, takže vyberte „20“ pro protony i neutrony, „min“ pro energii, ukažte stopy a poté začněte vypalovat α částice. Odpovídá to vaší předpovědi z (a)? Pokud ne, vysvětlete, proč by skutečná cesta byla ta, která je uvedena v simulaci. Pauza nebo reset, nastavte energii na “ max “ a začněte vypalovat α částice. Odpovídá to vaší předpovědi z (b)? Pokud ne, vysvětlete vliv zvýšené energie na skutečnou cestu, jak je znázorněno v simulaci., Pozastavte nebo resetujte, vyberte „40“ pro protony i neutrony, „min“ pro energii, Zobrazit stopy a oheň. Odpovídá to vaší předpovědi z (c)? Pokud ne, vysvětlete, proč by skutečná cesta byla ta, která je uvedena v simulaci. Opakujte to s větším počtem protonů a neutronů. Jaká zobecnění můžete provést ohledně typu atomu a vlivu na cestu α částic? Buďte jasní a konkrétní.
zobrazit vybraná řešení

1., Dalton si původně myslel, že všechny atomy určitého prvku mají stejné vlastnosti, včetně hmotnosti. Koncept izotopů, ve kterých má prvek různé hmotnosti, byl tedy porušením původní myšlenky. K účtu pro existenci izotopů, druhý postulát jeho atomové teorii, byl upraven tak, aby stát, že atomy téhož prvku musí mít stejné chemické vlastnosti.

3. Oba jsou subatomární částice, které se nacházejí v jádru atomu. Oba mají přibližně stejnou hmotnost. Protony jsou kladně nabité, kdežto neutrony nejsou nabité.

5., Odpovědi jsou následující:

  1. Rutherford atom má malé, kladně nabité jádro, tak většina α částice projde přes prázdný prostor daleko od jádra a být undeflected. Tyto α částice, které procházejí v blízkosti jádra, budou vychýleny ze svých cest kvůli pozitivnímu odpuzování. Čím více přímo směrem k jádru směřují částice α, tím větší bude úhel vychýlení.,
  2. částice α s vyšší energií, které procházejí v blízkosti jádra, budou stále podléhat vychýlení, ale čím rychleji cestují, tím menší je očekávaný úhel vychýlení.
  3. v Případě jádra je menší, kladný náboj je menší a očekává, že průhyby jsou menší—a to jak z hlediska toho, jak úzce α částice kolem jádra undeflected a úhlu vychýlení. Pokud je jádro větší, kladný náboj je větší a očekávané průhyby jsou větší—více částic α bude odkloněno a úhly vychýlení budou větší.,
  4. cesty následované částicemi α odpovídají předpovědím Z (A), (b) A (c).,/li>

Slovníček pojmů

alfa částice (α částice): kladně nabité částice, skládající se ze dvou protonů a dvou neutronů,

elektron: negativně nabité, subatomární částice relativně nízká hmotnost nachází mimo jádro,

izotopy: atomy, které obsahují stejný počet protonů, ale různý počet neutronů,

neutron: nenabité, subatomární částice, která se nachází v jádře

jádro: masivní, kladně nabité centrum atomu tvoří protony a neutrony,

proton: kladně nabité, subatomární částice, která se nachází v jádře