Scheikunde voor de Majors

Leerresultaten

• Overzicht van mijlpalen in de ontwikkeling van de moderne atomaire theorie
• Samenvatten en interpreteren van de resultaten van de experimenten van Thomson, Millikan, en Rutherford
• het Beschrijven van de drie subatomaire deeltjes waaruit atomen
• Definiëren isotopen en voorbeelden geven voor de verschillende elementen

figuur 1. (A) J. J. Thomson produceerde een zichtbare bundel in een kathodestraalbuis. (b) Dit is een vroege kathodestraalbuis, uitgevonden in 1897 door Ferdinand Braun. (c) In de kathodestraal komt de bundel (in het geel afgebeeld) uit de kathode en wordt langs de anode versneld naar een fluorescerende schaal aan het einde van de buis. Door gelijktijdige afbuigingen door toegepaste elektrische en magnetische velden kon Thomson de massa-ladingsverhouding berekenen van de deeltjes waaruit de kathodestraal bestaat., (credit a: modification of work by Nobel Foundation; credit b: modification of work by Eugen Nesper; credit c: modification of work by “Kurzon”/Wikimedia Commons)

Figuur 2., Millikan ‘ s experiment meet de lading van individuele oliedruppels. De getabelleerde gegevens zijn voorbeelden van een paar mogelijke waarden.

kijkend naar de ladingsgegevens die Millikan verzamelde, hebt u misschien herkend dat de lading van een oliedruppel altijd een veelvoud is van een specifieke lading, 1,6 × 10-19 C. Millikan concludeerde dat deze waarde daarom een fundamentele lading moet zijn—de lading van een enkel elektron—met zijn gemeten ladingen als gevolg van een overmaat van één elektron (1 keer 1,6 × 10-19 C), twee elektronen (2 keer 1,6 × 10-19 C), drie elektronen (3 keer 1.,6 × 10-19 C), enzovoort, op een bepaalde oliedruppel. Aangezien de lading van een elektron nu bekend was door Millikan ’s onderzoek, en de lading-massa verhouding al bekend was door Thomson’ s onderzoek (1,759 × 1011 C/kg), was er slechts een eenvoudige berekening nodig om ook de massa van het elektron te bepalen.

\ text{massa van elektronen} = 1.602 \ times {10}^{-19} \ text{C} \ times \ frac{1 \ text{kg}}{1.759 \ times {10}^{11} \ text{C}} = 9.,Wetenschappers hadden nu vastgesteld dat het atoom niet ondeelbaar was zoals Dalton had gedacht, en door het werk van Thomson, Millikan en anderen, waren de lading en de massa van de negatieve, subatomaire deeltjes—de elektronen—bekend. Het positief geladen deel van een atoom werd echter nog niet goed begrepen. In 1904 stelde Thomson het “plum pudding” – model van atomen voor, dat een positief geladen massa beschreef met een gelijke hoeveelheid negatieve lading in de vorm van elektronen die erin zijn ingebed, aangezien alle atomen elektrisch neutraal zijn., Een concurrerend model werd in 1903 voorgesteld door Hantaro Nagaoka, die een Saturnus-achtig atoom postuleerde, bestaande uit een positief geladen bol omringd door een halo van elektronen (Figuur 3).

Figuur 3. (a) Thomson suggereerde dat atomen op plum pudding leken, een Engels dessert bestaande uit vochtige cake met ingebedde rozijnen (“pruimen”). (b) Nagaoka stelde voor dat atomen leken op de planeet Saturnus, met een ring van elektronen rond een positieve “planeet.,”(credit a: modification of work by”Man vyi” /Wikimedia Commons; credit b: modification of work by “NASA” / Wikimedia Commons)

De volgende belangrijke ontwikkeling in het begrijpen van het atoom kwam van Ernest Rutherford, een natuurkundige uit Nieuw-Zeeland die zijn wetenschappelijke carrière grotendeels doorbracht in Canada en Engeland., Hij voerde een reeks experimenten uit met een bundel van zeer snelle, positief geladen alfa-deeltjes (α-deeltjes) die werden geproduceerd door het radioactieve verval van radium; α-deeltjes bestaan uit twee protonen en twee neutronen (je leert meer over radioactief verval in de module over nucleaire chemie)., Rutherford en zijn collega ‘ s Hans Geiger (later bekend om de Geigerteller) en Ernest Marsden richtten een bundel van α-deeltjes, waarvan de bron in een loden blok was ingebed om het grootste deel van de straling te absorberen, op een zeer dun stuk goudfolie en onderzochten de resulterende verstrooiing van de α-deeltjes met behulp van een lichtgevend scherm dat kort gloeide waar geraakt door een α-deeltje.

wat hebben ze ontdekt? De meeste deeltjes gingen dwars door de folie zonder dat ze werden afgebogen., Sommige werden echter lichtjes omgeleid, en een zeer klein aantal werd bijna recht terug naar de bron afgebogen (Figuur 4). Rutherford beschreef het vinden van deze resultaten: “het was nogal de meest ongelooflijke gebeurtenis die me ooit is overkomen in mijn leven. Het was bijna net zo ongelooflijk alsof je een 15-inch omhulsel afvuurde op een stuk papier en het kwam terug en raakte je.”

Figuur 4., Geiger en Rutherford vuurden a-deeltjes af op een stuk goudfolie en detecteerden waar die deeltjes heengingen, zoals blijkt uit dit schema van hun experiment. De meeste deeltjes gingen rechtstreeks door de folie, maar enkele werden licht afgebogen en een zeer klein aantal werd aanzienlijk afgebogen.

Hier is wat Rutherford concludeerde: omdat de meeste snel bewegende α-deeltjes ongeëvenaard door de goudatomen gingen, moeten ze door een vrijwel lege ruimte in het atoom zijn gereisd., Alfadeeltjes zijn positief geladen, dus er ontstonden afbuigingen toen ze een andere positieve lading tegenkwamen (zoals ladingen elkaar afstoten). Omdat als ladingen elkaar afstoten, moeten de paar positief geladen deeltjes die abrupt van pad veranderden een ander lichaam hebben geraakt of dichtbij zijn gekomen dat ook een sterk geconcentreerde, positieve lading had. Aangezien de doorbuigingen een klein deel van de tijd plaatsvonden, nam deze lading slechts een klein deel van de ruimte in de goudfolie in beslag., Door een reeks van dergelijke experimenten in detail te analyseren, trok Rutherford twee conclusies:

1. het volume van een atoom moet bestaan uit een grote hoeveelheid lege ruimte.
2. een klein, relatief zwaar, positief geladen lichaam, de kern, moet zich in het centrum van elk atoom bevinden.

bekijk deze simulatie van het Rutherford gold foil experiment. Pas de spleetbreedte aan om een smallere of bredere bundel van α-deeltjes te produceren om te zien hoe dat het verstrooiingspatroon beïnvloedt.,deze analyse heeft Rutherford ertoe gebracht een model voor te stellen waarin een atoom bestaat uit een zeer kleine, positief geladen kern, waarin het grootste deel van de massa van het atoom geconcentreerd is, omgeven door negatief geladen elektronen, zodat het atoom elektrisch neutraal is (Figuur 5). Na veel meer experimenten ontdekte Rutherford ook dat de kernen van andere elementen de waterstofkern bevatten als een “bouwsteen”, en hij noemde dit meer fundamentele deeltje het proton, het positief geladen subatomaire deeltje dat in de kern wordt gevonden., Met één toevoeging, die je hierna zult leren, wordt dit nucleaire model van het atoom, dat meer dan een eeuw geleden werd voorgesteld, nog steeds gebruikt.

Figuur 5. De α-deeltjes worden alleen afgebogen wanneer zij botsen met of dicht bij de veel zwaardere, positief geladen goudkern passeren. Omdat de kern zeer klein is in vergelijking met de grootte van een atoom, worden zeer weinig α-deeltjes afgebogen. De meeste gaan door het relatief grote gebied bezet door elektronen, die te licht zijn om de snel bewegende deeltjes af te buigen.,

met de Rutherford-Verstrooiingssimulatie kunt u de verschillen tussen een “plum pudding” – atoom en een Rutherford-atoom onderzoeken door α-deeltjes op elk type atoom af te vuren.

een andere belangrijke vondst was de ontdekking van isotopen. In de vroege jaren 1900 identificeerden wetenschappers verschillende stoffen die nieuwe elementen leken te zijn, ze te isoleren van radioactieve ertsen. Bijvoorbeeld, een” nieuw element ” geproduceerd door het radioactieve verval van thorium kreeg aanvankelijk de naam mesothorium., Een meer gedetailleerde analyse toonde echter aan dat mesothorium chemisch identiek was aan radium (een ander vervalproduct), ondanks het feit dat het een andere atoommassa had. Dit resultaat, samen met soortgelijke bevindingen voor andere elementen, leidde de Engelse chemicus Frederick Soddy tot het besef dat een element soorten atomen met verschillende massa ‘ s kon hebben die chemisch niet te onderscheiden waren. Deze verschillende types worden isotopen genoemd-atomen van hetzelfde element die in massa verschillen. Soddy kreeg in 1921 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor deze ontdekking.,

Eén puzzel bleef over: de kern bevatte bijna de gehele massa van een atoom, waarbij het aantal protonen slechts de helft of minder van die massa opleverde. Verschillende voorstellen werden gedaan om uit te leggen wat de resterende massa vormde, inclusief het bestaan van neutrale deeltjes in de kern. Zoals je zou verwachten, is het detecteren van niet-geladen deeltjes een hele uitdaging. pas in 1932 vond James Chadwick bewijs van neutronen, niet-geladen, subatomaire deeltjes met een massa die ongeveer gelijk is aan die van protonen., Het bestaan van de neutronen verklaart ook isotopen: ze verschillen in massa omdat ze verschillende aantallen neutronen hebben, maar ze zijn chemisch identiek omdat ze hetzelfde aantal protonen hebben. Dit zal later meer in detail worden uitgelegd.

sleutelbegrippen en samenvatting

hoewel niemand daadwerkelijk de binnenkant van een atoom heeft gezien, hebben experimenten veel aangetoond over atomaire structuur. Thomson ‘ s kathodestraalbuis toonde aan dat atomen kleine, negatief geladen deeltjes bevatten die elektronen worden genoemd., Millikan ontdekte dat er een fundamentele elektrische lading is—de lading van een elektron. Rutherford ‘ s gold foil experiment toonde aan dat atomen een kleine, dichte, positief geladen kern hebben; de positief geladen deeltjes binnen de kern worden protonen genoemd. Chadwick ontdekte dat de kern ook neutrale deeltjes bevat die neutronen worden genoemd. Soddy toonde aan dat atomen van hetzelfde element in Massa kunnen verschillen; dit worden isotopen genoemd.

probeer het

1. het bestaan van isotopen schendt een van de oorspronkelijke ideeën van Dalton ‘ s atoomtheorie. Welke?,
2. Hoe zijn elektronen en protonen vergelijkbaar? Hoe zijn ze anders?
3. Hoe zijn protonen en neutronen vergelijkbaar? Hoe zijn ze anders?
4. voorspel en test het gedrag van α deeltjes die worden afgevuurd op een” plum pudding ” modelatoom.
   1. voorspel de paden van α deeltjes die op atomen worden afgevuurd met een Thomson ‘ s plum pudding modelstructuur. Leg uit waarom u verwacht dat de α-deeltjes deze paden volgen.,
   2. indien α deeltjes met een hogere energie dan die onder a) op pruimpuddingatomen worden gestookt, voorspel dan hoe hun paden zullen verschillen van de α deeltjespaden met een lagere energie. Leg je redenering uit.
   3. test nu uw voorspellingen uit (a) en (b). Open De Rutherford Scattering simulatie en selecteer de” Plum Pudding Atom ” tab. Zet “Alpha Particles Energy” Op “min,” en selecteer ” show traces.”Klik op het pistool om te beginnen met het afvuren van α deeltjes. Komt dit overeen met uw voorspelling uit (a)? Zo niet, leg dan uit waarom het werkelijke pad het pad is dat in de simulatie wordt getoond. Druk op de pauzeknop, of ” Reset alles.,”Stel de energie van alfadeeltjes in op” max ” en begin met het afvuren van α-deeltjes. Komt dit overeen met uw voorspelling uit (b)? Zo niet, verklaar dan het effect van verhoogde energie op de werkelijke paden zoals getoond in de simulatie.
5. voorspel en test het gedrag van α deeltjes die op een Rutherford atom model worden afgevuurd.
   1. voorspel de paden die worden afgelegd door α-deeltjes die worden afgevuurd op atomen met een Rutherford atom modelstructuur. Leg uit waarom u verwacht dat de α-deeltjes deze paden volgen.,
   2. indien α-deeltjes met een hogere energie dan die onder a) op Rutherford-atomen worden afgevuurd, voorspel dan hoe hun paden zullen verschillen van de α-deeltjespaden met een lagere energie. Leg je redenering uit.
   3. voorspel hoe de paden van de α-deeltjes zullen verschillen als ze worden afgevuurd op Rutherford-atomen van andere elementen dan goud. Welke factor verwacht je dat dit verschil in paden veroorzaakt, en waarom?
   4. test nu uw voorspellingen uit (a), (b), en (c). Open De Rutherford Scattering simulatie en selecteer de” Rutherford Atom ” tab., Vanwege de schaal van de simulatie, is het het beste om te beginnen met een kleine kern, dus selecteer “20” voor zowel protonen als neutronen, “min” voor energie, toon sporen, en dan beginnen met het afvuren van α deeltjes. Komt dit overeen met uw voorspelling uit (a)? Zo niet, leg dan uit waarom het werkelijke pad het pad is dat in de simulatie wordt getoond. Pauzeer of reset, zet de energie op ” max ” en start met het afvuren van α-deeltjes. Komt dit overeen met uw voorspelling uit (b)? Zo niet, verklaar dan het effect van verhoogde energie op het werkelijke pad zoals getoond in de simulatie., Pauzeer of reset, selecteer “40” voor zowel protonen als neutronen, “min” voor energie, toon sporen, en vuur weg. Komt dit overeen met uw voorspelling vanaf (c)? Zo niet, leg dan uit waarom het werkelijke pad het pad is dat in de simulatie wordt getoond. Herhaal dit met grotere aantallen protonen en neutronen. Welke veralgemening kunt u maken met betrekking tot het type atoom en het effect op het pad van α-deeltjes? Wees duidelijk en specifiek.

Toon geselecteerde oplossingen

1., Dalton dacht oorspronkelijk dat alle atomen van een bepaald element identieke eigenschappen hadden, inclusief massa. Het begrip isotopen, waarin een element verschillende massa ‘ s heeft, was dus een schending van het oorspronkelijke idee. Om het bestaan van isotopen te verklaren, werd het tweede postulaat van zijn atoomtheorie gewijzigd om te stellen dat atomen van hetzelfde element identieke chemische eigenschappen moeten hebben.

3. Beide zijn subatomaire deeltjes die in de kern van een atoom verblijven. Beide hebben ongeveer dezelfde massa. Protonen zijn positief geladen, terwijl neutronen niet geladen zijn.

5., De antwoorden zijn als volgt:

1. het Rutherford-atoom heeft een kleine, positief geladen kern, zodat de meeste α-deeltjes ver van de kern door de lege ruimte gaan en niet worden verwijderd. De α-deeltjes die in de buurt van de kern passeren, worden van hun pad afgebogen door positieve-positieve afstoting. Hoe directer De α-deeltjes naar de kern gaan, hoe groter de afbuigingshoek zal zijn.,
2. deeltjes met hogere energie die in de buurt van de kern passeren, zullen nog steeds doorbuiging ondergaan, maar hoe sneller ze zich verplaatsen, hoe minder de verwachte hoek van de doorbuiging.
3. indien de kern kleiner is, is de positieve lading kleiner en zijn de verwachte doorbuigingen kleiner—zowel wat betreft de mate waarin de α-deeltjes de kern niet afbreken als wat betreft de hoek van de doorbuiging. Als de kern groter is, is de positieve lading groter en zijn de verwachte afbuigingen groter—meer α-deeltjes zullen worden afgebogen, en de afbuigingshoeken zullen groter zijn.,
4. de paden die worden gevolgd door de α-deeltjes komen overeen met de voorspellingen van a), b) en c).,/li>

Woordenlijst

alfa-deeltje (een α-deeltje): positief geladen deeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen

elektron: negatief geladen, de subatomaire deeltjes van de relatief lage massa die zich buiten de nucleus

isotopen: atomen met hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen

neutron: ongeladen, subatomaire deeltjes zich in de kern

kern: massieve, positief geladen centrum van een atoom opgebouwd uit protonen en neutronen

proton: positief geladen, de subatomaire deeltjes zich in de kern