osaamistavoitteet

  • Jäsennys virstanpylväitä kehittämiseen modern atomic teoria
  • Tiivistää ja tulkita kokeiden tuloksia Thomson, Millikan, ja Rutherford
  • Kuvaile kolme atomia pienemmät hiukkaset, jotka muodostavat atomit
  • Määritä isotoopit ja antaa esimerkkejä useita elementtejä

kaksi vuosisataa siitä, kun Dalton kehitti ideoita, tutkijat ovat edistyneet merkittävästi edistää ymmärrystä atomi-teoria., Suuri osa tästä tuli useiden siemenkokeiden tuloksista, jotka paljastivat atomien sisäisen rakenteen yksityiskohdat. Käsittelemme tässä joitakin näistä keskeisistä kehityssuunnista painottaen tieteellisen menetelmän soveltamista sekä sitä, miten kokeellista todistusaineistoa analysoitiin. Vaikka historialliset henkilöt ja päivämäärät näiden kokeiden takana voivat olla varsin mielenkiintoisia, on tärkeintä ymmärtää heidän työstään johtuvia käsitteitä.

Atomi-Teoria, kun Yhdeksännentoista Vuosisadan

Jos asia oli koostuu atomeista, mitä olivat atomit koostuvat?, Olivatko ne pienimmät hiukkaset vai oliko jotain pienempää? 1800-luvun lopulla, useita tutkijat ovat kiinnostuneita kysymyksiä, kuten nämä tutki sähköpurkauksia, että voitaisiin tuottaa matalan paineen kaasuja, joiden merkittävin löytö teki englantilainen fyysikko J. J. Thomson käyttämällä katodi-ray-putki. Tämä laite koostui suljettu lasiputki, josta lähes kaikki ilma on poistettu; putki sisälsi kaksi metallista elektrodia. Kun elektrodien poikki levitettiin korkeajännitettä, niiden väliin ilmestyi näkyvä säde, katodisäde., Tämä palkki oli taipuu positiivinen varaus ja pois negatiivinen varaus, ja se oli valmistettu samalla tavalla, samanlaiset ominaisuudet, kun eri metalleja käytettiin elektrodit. Vastaavia kokeiluja, ray oli samanaikaisesti taipuu jonka magneettikentässä, ja mittausten laajuudesta taipuman ja magneettikentän voimakkuus saa Thomson laskea sähkövarauksen ja massan suhde katodi ray hiukkasia. Näiden mittausten tulokset osoittivat, että nämä hiukkaset olivat paljon atomeja kevyempiä (Kuva 1).,

Kuva 1. a) J. J. Thomson tuotti näkyvän säteen katodisädeputkeen. B) Tämä on Ferdinand Braunin vuonna 1897 keksimä varhainen katodisädeputki. (c) cathode ray, palkki (kuvassa keltainen) tulee katodi ja on kiihtynyt viime anodi kohti loisteputki mittakaavassa lopussa putki. Samanaikainen taipumat, joita sovelletaan sähkö-ja magneettikenttien sallittua Thomson laskea mass-to-charge ratio hiukkasten säveltäminen katodi ray., (luotto: muuttaminen työn Nobel-Säätiö; luotto-b: muuttaminen työn Eugen Nesper; luotto-c: muuttaminen työn ”Kurzon”/Wikimedia Commons)

Perustuu hänen havaintoja, tässä on mitä Thomson ehdotti ja miksi: hiukkaset ovat houkutelleet positiivinen (+) maksut ja hylkii negatiivisia (-) maksuja, joten ne on negatiivisesti varautunut (kuten maksut hylkivät ja toisin kuin maksut houkutella); ne ovat vähemmän massiivinen kuin atomit ja erottamattomat, lähteestä riippumatta materiaali, joten ne täytyy olla perustavanlaatuinen, atomia pienemmät ainesosat kaikki atomit., Vaikka kiistanalainen tuolloin, Thomson idea oli vähitellen hyväksytty, ja hänen cathode ray hiukkanen on, mitä me nyt kutsumme elektroni on negatiivisesti varautunut, hiukkanen, jonka massa on yli tuhat kertaa vähemmän, että atomin. Termin ”electron” keksi vuonna 1891 irlantilainen fyysikko George Stoney ”electric ionista”.”

Klikkaa tästä linkistä” JJ Thompson puhuu elektronin koosta ” kuullakseen Thomsonin kuvailevan löytöään omalla äänellään.

vuonna 1909 yhdysvaltalainen fyysikko Robert A., Millikan” öljypisarakokeidensa ” kautta. Millikan loi mikroskooppisia öljypisaroita, joita voitiin sähköisesti ladata kitkan avulla niiden muodostuessa tai röntgensäteiden avulla. Nämä pisarat putosivat alun perin painovoiman takia, mutta niiden laskusuhdannetta saattoi hidastaa tai jopa kääntää laitteessa alempi sähkökenttä. Säätämällä Sähkökentän lujuutta ja tekemällä huolellisia mittauksia ja asianmukaisia laskelmia Millikan pystyi määrittämään varauksen yksittäisille pisaroille (kuva 2).

Kuva 2., Millikanin kokeessa mitattiin yksittäisten öljypisaroiden lataus. Taulukoidut tiedot ovat esimerkkejä muutamista mahdollisista arvoista.

Katsomalla maksutta tiedot, jotka Millikan kokoontuivat, sinulla voi olla tunnustettu että vastaava öljy pisara on aina useita tietyn maksu, 1.6 × 10-19 C. Millikan päätellä, että tämä arvo on siis perustavanlaatuinen maksu—maksu yhden elektroni—hänen mitattuna maksut koska yli yksi elektroni (1 kertaa 1.6 × 10-19 C), kaksi elektronia (2 kertaa 1.6 × 10-19 C), kolme elektroneja (3 kertaa 1.,6 × 10-19 C) ja niin edelleen tietyllä öljypisaralla. Koska maksu elektronin oli nyt tiedossa, koska Millikan on tutkimus -, ja maksu-to-massa-suhde oli jo tiedossa, koska Thomson: n tutkimus (1.759 × 1011 C/kg), se vaaditaan vain yksinkertainen laskutoimitus voidaan määrittää kappaleen massa elektronin samoin.

\text{Massa electron}=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},

Tutkijat olivat nyt perustettu, että atomi ei ole jakamaton, kuten Dalton oli uskonut, ja koska työn Thomson, Millikan, ja toiset, maksu ja massa negatiivinen, atomia pienempien hiukkasten—elektronit—olivat tiedossa. Atomin positiivisesti varautunutta osaa ei kuitenkaan vielä ymmärretty hyvin. Vuonna 1904 Thomson esitti ”jouluvanukas” malli atomeista, jotka on kuvattu positiivisesti varautuneita massa, jossa on yhtä suuri määrä negatiivinen varaus muodossa elektronit upotettu se, koska kaikki atomit ovat sähköisesti neutraaleja., Kilpaileva malli oli ehdotettu vuonna 1903 Hantaro Nagaoka, joka oletetun Saturn-kuten atomi koostuu positiivisesti varautuneita alalla ympäröi halo elektroneja (Kuva 3).

Kuva 3. a) Thomson ehdotti, että atomit muistuttivat luumuvanukasta, englantilaista jälkiruokaa, joka koostui kosteasta kakusta, johon oli upotettu rusinoita (”luumut”). B) Nagaoka ehdotti atomien muistuttavan Saturnus-planeettaa, jonka elektronirengas ympäröi positiivista ”planeettaa.,”(luotto: muuttaminen työn ”Mies vyi”/Wikimedia Commons; luotto-b: muuttaminen työn ”NASA”/Wikimedia Commons)

seuraava suuri kehitys ymmärtää atomin tuli Ernest Rutherford, fyysikko Uudesta-Seelannista, joka suurelta osin käytetty hänen tieteellisen uran Kanadassa ja Englannissa., Hän suoritti sarjan kokeita käyttäen säde korkea-nopeus, positiivisesti varautuneita alfa hiukkasia (α-hiukkasia), jotka olivat tuottama radioaktiivinen hajoaminen radium; α-hiukkasia, jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. (voit oppia lisää siitä, radioaktiivinen hajoaminen-moduuli ydinalan kemia)., Rutherford ja hänen kollegansa Hans Geiger (myöhemmin kuuluisa Geiger counter) ja Ernest Marsden, joilla palkki α-hiukkasia, lähde, joka oli upotettu johtaa lohko imeä suurimman osan säteilystä, erittäin ohut pala kultaa folio ja tutki tuloksena sironta α-hiukkasia käyttämällä luminescent näyttö, joka hehkui lyhyesti, missä osuman α-hiukkasen.

mitä he löysivät? Useimmat hiukkaset kulkivat suoraan folion läpi ilman, että ne taipuivat lainkaan., Osa kuitenkin ohjautui hieman muualle, ja hyvin pieni joukko taipui lähes suoraan takaisin kohti lähdettä (Kuva 4). Rutherford kuvaili näiden tulosten löytämistä: ”se oli aivan uskomattomin tapahtuma, mitä minulle on koskaan tapahtunut elämässäni. Se oli melkein yhtä uskomatonta, kuin jos sinulla ampui 15-tuuman kuori pala pehmopaperin ja se tuli takaisin ja lyödä sinua.”

Kuva 4., Geiger ja Rutherford erotti α-hiukkasten nopeus pala kultaa folio ja havaita, mistä ne hiukkaset meni, kuten tässä kaaviokuva niiden kokeilu. Useimmat hiukkasia suoraan läpi folio, mutta muutama oli taipua hieman ja hyvin pieni määrä oli merkittävästi taipua.

Tässä on, mitä Rutherford päätellä: Koska useimmat nopeasti-liikkuva α-hiukkasia läpi kulta-atomien undeflected, ne on matkannut läpi lähinnä tyhjää tilaa sisällä atomi., Alfahiukkaset ovat positiivisesti varautuneita, joten taipumat syntyivät, kun ne kohtasivat toisen positiivisen varauksen (kuten varaukset hylkivät toisiaan). Koska, kuten maksut hylkivät toisiaan, muutaman positiivisesti varautuneita α-hiukkasia, joka muutti polut äkillisesti täytyy olla osuma, tai tiiviisti lähestyi, toinen elin, joka oli myös erittäin keskittynyt, positiivinen varaus. Koska taipumat tapahtuivat pienen murto-osan ajasta, tämä varaus miehitti vain pienen määrän tilaa kultafoliossa., Analysoimalla useita tällaisia kokeiluja yksityiskohtaisesti, Rutherford veti kaksi johtopäätöstä:

  1. tilavuus käytössä atomi on oltava suuri määrä tyhjää tilaa.
  2. pienen, suhteellisen raskaan, positiivisesti varautuneen kappaleen, ytimen, on oltava jokaisen atomin keskellä.
Katso tämä simulaatio Rutherfordin kultafoliokokeesta. Säädä raon leveys tuottamaan kapeampi tai laajempi palkki α hiukkasia nähdä, miten tämä vaikuttaa sironta kuvio.,

Tämä analyysi johti Rutherford ehdottaa mallia, jossa atomi koostuu hyvin pieni, positiivisesti varautunut ydin, jossa suurin osa atomin massan on keskittynyt, jota ympäröi negatiivisesti varautuneet elektronit, niin että atomi on sähköisesti neutraali (Kuva 5). Jälkeen paljon enemmän kokeiluja, Rutherford myös havaitsivat, että ytimet muita elementtejä sisältävät vety-ydin, kuten ”building block”, ja hän nimesi tämän perusteellisempaa hiukkanen protoni, positiivisesti varautunut, hiukkanen löytyy tumassa., Yhdellä lisäyksellä, jonka opit seuraavaksi, tätä yli sata vuotta sitten ehdotettua atomin ydinmallia käytetään edelleen.

Kuva 5. Α-hiukkaset ovat taipua vain silloin, kun ne törmäävät tai siirtää lähellä paljon raskaampaa, positiivisesti varautuneita kultaa ydin. Koska ydin on hyvin pieni verrattuna koko atomin, hyvin harvat α-hiukkaset ovat taipua. Useimmat läpi suhteellisen suuri alueen käytössä elektroneja, jotka ovat liian kevyitä kääntää nopeasti liikkuvia hiukkasia.,

Rutherfordin Sironta simulointi avulla voit tutkia eroja ”jouluvanukas” atom ja Rutherford atom polttamalla α-hiukkasten kunkin atomin.

toinen tärkeä havainto oli isotooppien löytyminen. 1900-luvun alussa, tutkijat tunnistettu useita aineita, jotka näyttivät olevan uusia elementtejä, eristämällä ne radioaktiiviset malmit. Esimerkiksi toriumin radioaktiivisen hajoamisen tuottama” uusi alkuaine ” sai aluksi nimen mesothorium., Tarkempi analyysi kuitenkin osoitti, että mesothorium oli kemiallisesti identtinen radiumin (toinen hajoamistuote) kanssa, vaikka sillä oli erilainen atomimassa. Tämä tulos, yhdessä samankaltaisia havaintoja muita elementtejä, led-englanti kemisti Frederick Soddy ymmärtää, että elementti voisi olla erilaisia atomeja, joilla on eri massat, jotka olivat kemiallisesti erottaa. Näitä eri tyyppejä kutsutaan isotoopeiksi-saman alkuaineen atomeiksi, jotka eroavat massaltaan. Soddy sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1921 tästä löydöstä.,

Yksi palapeli on pysynyt: ydin oli tiedossa sisältävät lähes kaikki atomin massa, määrä protoneja vain tarjota puolet tai vähemmän, sen massa. Erilaisia ehdotuksia tehtiin sen selittämiseksi, mikä oli jäljellä oleva massa, mukaan lukien neutraalien hiukkasten olemassaolo tumassa. Kuten arvata saattaa, havaita varauksettomia hiukkasia on erittäin haastava, ja se oli vasta 1932 James Chadwick löysi todisteita neutroneja, varauksettomia, atomia pienempiä hiukkasia, joiden massa on suunnilleen sama kuin protoneja., Olemassaolon neutroni selitti myös, isotoopit: Ne poikkeavat massasta, koska niillä on eri määrä neutroneja, mutta ne ovat kemiallisesti identtisiä, koska niillä on sama määrä protoneja. Asiasta kerrotaan tarkemmin myöhemmin.

Keskeisiä Käsitteitä ja Yhteenveto

Vaikka kukaan ei ole nähnyt sisällä atomi, kokeet ovat osoittaneet paljon siitä, atomin rakenne. Thomsonin katodisädeputki osoitti, että atomeissa on pieniä, negatiivisesti varautuneita hiukkasia, joita kutsutaan elektroneiksi., Millikan havaitsi, että on olemassa perustavanlaatuinen sähkövaraus—elektronin varaus. Rutherford on kulta folio kokeilu osoitti, että atomit on pieni, tiheä, positiivisesti varautunut ydin; positiivisesti varautuneita hiukkasia sisällä ydin, kutsutaan nuklidiksi. Chadwick havaitsi, että ydin sisältää myös neutraaleja hiukkasia kutsutaan neutroneja. Soddy osoitti, että saman alkuaineen atomit voivat massaltaan poiketa toisistaan; näitä kutsutaan isotoopeiksi.

Kokeile

  1. olemassa isotooppeja loukkaa ideoita Daltonin atomi-teoria. Mikä niistä?,
  2. miten elektronit ja protonit ovat samanlaisia? Miten he ovat erilaisia?
  3. miten protonit ja neutronit ovat samanlaisia? Miten he ovat erilaisia?
  4. ennusta ja testaa ”luumuvanukkaan” malliatomilla ammuttujen α-hiukkasten käyttäytymistä.
    1. ennustaa α-hiukkasten ottamat polut, jotka ammutaan atomeja kohti Thomsonin luumuvanukkaan mallirakenteen avulla. Selitä, miksi oletat α-hiukkasten kulkevan näitä polkuja.,
    2. Jos α hiukkasia enemmän energiaa kuin ne, in (a) ammutaan jouluvanukas atomit, ennustaa, miten heidän polkunsa eroaa alemman energian α-hiukkasen polkuja. Selitä perustelusi.
    3. testaa nyt ennusteesi A ja b kohdasta. Avaa Rutherfordin Sirontasimulaatio ja valitse ”Plum Pudding Atom” – välilehti. Aseta ”alfahiukkasten energia” arvoon ” min ”ja valitse” Näytä jälkiä.”Klikkaa asetta aloittaaksesi α-hiukkasten ampumisen. Vastaako tämä ennustustasi a)? Jos ei, selitä, miksi todellinen polku olisi simulaatiossa esitetty polku. Paina taukopainiketta tai ” Nollaa kaikki.,”Aseta” alfahiukkasten Energia ”Maxiin” ja aloita α-hiukkasten ampuminen. Vastaako tämä ennustustasi B): stä? Jos näin ei ole, selitä lisääntyneen energian vaikutus todellisiin polkuihin simulaatiossa esitetyllä tavalla.
  5. ennusta ja testaa Rutherfordin atomimallilla ammuttujen α-hiukkasten käyttäytymistä.
    1. ennustaa α-hiukkasten ottamia polkuja, jotka ammutaan atomeja kohti Rutherfordin atomimallin rakenteella. Selitä, miksi oletat α-hiukkasten kulkevan näitä polkuja.,
    2. Jos α hiukkasia enemmän energiaa kuin ne, in (a) ammutaan Rutherford atomit, ennustaa, miten heidän polkunsa eroaa alemman energian α-hiukkasen polkuja. Selitä perustelusi.
    3. ennustaa, miten α-hiukkasten ottamat polut eroavat toisistaan, jos ne ammutaan muiden alkuaineiden kuin kullan Rutherford-atomeihin. Minkä tekijän odotat aiheuttavan tämän eron poluilla ja miksi?
    4. Nyt testaa ennusteita (a), (b) ja (c). Avaa Rutherfordin Sirontasimulaatio ja valitse ”Rutherford Atom” – välilehti., Simulaation mittakaavan vuoksi on parasta aloittaa pienestä ytimestä, joten valitse ”20” sekä protoneille että neutroneille, ” min ” energialle, Näytä jälkiä ja aloita sitten ampumalla α-hiukkasia. Vastaako tämä ennustustasi a)? Jos ei, selitä, miksi todellinen polku olisi simulaatiossa esitetty polku. Keskeytä tai nollaa, aseta energia ”Maxiin” ja aloita α-hiukkasten laukaisu. Vastaako tämä ennustustasi B): stä? Jos näin ei ole, selitä lisääntyneen energian vaikutus todelliselle polulle simulaatiossa esitetyllä tavalla., Pysäytä tai nollaa, valitse ”40” sekä protoneille että neutroneille, ” min ” energialle, Näytä jälkiä ja ammu pois. Vastaako tämä ennustettasi c: stä? Jos ei, selitä, miksi todellinen polku olisi simulaatiossa esitetty polku. Toista tämä suuremmalla määrällä protoneja ja neutroneja. Mitä yleistyksiä voit tehdä atomin tyypistä ja vaikutuksesta α-hiukkasten polulle? Ole selkeä ja täsmällinen.
Näytä Valitut Ratkaisut

1., Dalton arveli alun perin, että tietyn alkuaineen kaikilla atomeilla oli samat ominaisuudet, myös massa. Näin ollen isotooppien käsite, jossa alkuaineella on eri massat, rikkoi alkuperäistä ajatusta. Tilin olemassaolon isotooppeja, toinen olettamus hänen atomi teoriassa oli muutettu todeta, että atomien sama elementti on samanlaiset kemialliset ominaisuudet.

3. Molemmat ovat atomin ytimessä olevia subatomisia hiukkasia. Molempien massa on suunnilleen sama. Protonit ovat positiivisesti varautuneita, kun taas neutronit ovat varauksettomia.

5., Vastaukset ovat seuraavat:

  1. Rutherford atom on pieni, positiivisesti varautunut ydin, joten useimmat α-hiukkaset kulkevat tyhjä tila kaukana ydin ja undeflected. Ne α-hiukkaset, jotka kulkevat tuman lähellä, taipuvat poluiltaan positiivis-positiivisen repulsion vuoksi. Mitä suoremmin kohti tumaa α-hiukkaset suuntautuvat, sitä suurempi taipumiskulma on.,
  2. enemmän energiaa α-hiukkasia, jotka kulkevat lähellä ydin on silti tehdään taipuma, mutta nopeammin ne matkustaa, sitä vähemmän odotettavissa kallistuskulma.
  3. Jos ydin on pienempi, positiivinen varaus on pienempi ja lämpötila taipumat ovat pienempi—sekä sen suhteen, miten tarkasti α-hiukkaset kulkevat ydin undeflected ja kallistuskulma. Jos tuma on suurempi, positiivinen varaus on suurempi ja lämpötila taipumat ovat suurempia—enemmän α-hiukkasia on taipua, ja taipuma kulmassa on suurempi.,
  4. α-hiukkasten seuraamat polut vastaavat A, b ja c alakohdan ennusteita.,/li>

Sanasto

alfa-hiukkasen (α-hiukkasen): positiivisesti varautunut hiukkanen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.

electron: negatiivisesti varautuneita, hiukkanen suhteellisen alhainen massa ulkopuolella ydin

isotoopit: atomit, jotka sisältävät saman määrän protoneja, mutta eri määrä neutroneja

neutroni: varauksettomia, hiukkanen sijaitsee tumassa

ydin: massiivinen, positiivisesti varautuneita keskus atomi koostuu protoneista ja neutroneista,

protoni: positiivisesti varautunut, hiukkanen sijaitsee tumassa