Învățării
- Contur repere în dezvoltarea modernă teoria atomică
- de a Rezuma și de a interpreta rezultatele experimentelor de Thomson, Millikan, și Rutherford
- Descrie trei particule subatomice care compun atomii
- Defini izotopi și să dea exemple de mai multe elemente
În cele două secole de când Dalton dezvoltat ideile sale, oamenii de știință au făcut progrese semnificative în realizarea de progrese în înțelegerea teoriei atomice., O mare parte din acest lucru a venit din rezultatele mai multor experimente seminale care au dezvăluit detaliile structurii interne a atomilor. Aici, vom discuta unele dintre aceste evoluții cheie, cu accent pe aplicarea metodei științifice, precum și înțelegerea modului în care au fost analizate dovezile experimentale. În timp ce persoanele istorice și datele din spatele acestor experimente pot fi destul de interesante, este cel mai important să înțelegem conceptele care rezultă din munca lor.
Teoria atomică după secolul al XIX-lea
dacă materia era compusă din atomi, din ce erau compuși atomii?, Erau cele mai mici particule sau era ceva mai mic? La sfârșitul anilor 1800, un număr de oameni de știință interesați de astfel de întrebări au investigat descărcările electrice care ar putea fi produse în gaze de joasă presiune, cea mai semnificativă descoperire făcută de fizicianul englez J. J. Thomson folosind un tub catodic. Acest aparat a constat dintr-un tub de sticlă sigilat din care a fost îndepărtat aproape tot aerul; tubul conținea doi electrozi metalici. Când a fost aplicată tensiune înaltă pe electrozi, între ei a apărut un fascicul vizibil numit raze catodice., Acest fascicul a fost deviat spre sarcina pozitivă și departe de sarcina negativă și a fost produs în același mod cu proprietăți identice atunci când au fost utilizate metale diferite pentru electrozi. În experimente similare, raza a fost deviată simultan de un câmp magnetic aplicat, iar măsurătorile gradului de deformare și a intensității câmpului magnetic au permis lui Thomson să calculeze raportul încărcare-masă al particulelor de raze catodice. Rezultatele acestor măsurători au indicat că aceste particule erau mult mai ușoare decât atomii (Figura 1).,
Figura 1. (a) J. J. Thomson a produs un fascicul vizibil într-un tub catodic. (b) acesta este un tub catodic timpuriu, inventat în 1897 de Ferdinand Braun. (c) în catod, fasciculul (prezentat în galben) provine de la catod și este accelerat dincolo de anod spre o scală fluorescentă la capătul tubului. Deformările simultane prin câmpuri electrice și magnetice aplicate i-au permis lui Thomson să calculeze raportul masă-încărcare a particulelor care compun raza catodică., (credit-o: modificarea de muncă de către Fundația Nobel; credit b: modificarea de muncă de către Eugen Nesper; credit c: modificarea de muncă de către „Kurzon”/Wikimedia Commons)
pe Baza observațiilor sale, aici este ceea ce Thomson a propus si de ce: particulele sunt atrase de pozitiv (+) taxele și respins de negativ (-) cheltuieli, astfel încât acestea trebuie să fie încărcate negativ (cum ar fi taxele respinge și spre deosebire de taxe atrage); ele sunt mai puțin masive decât atomi și imposibil de distins, indiferent de sursa de material, astfel încât acestea trebuie să fie fundamentale, subatomice constitutive ale tuturor atomilor., Deși controversată la acea vreme, ideea lui Thomson a fost acceptată treptat, iar particula sa de raze catodice este ceea ce numim acum un electron, o particulă subatomică încărcată negativ, cu o masă de peste o mie de ori mai mică decât cea a unui atom. Termenul „electron” a fost inventat în 1891 de fizicianul irlandez George Stoney, de la „ion electric.”
Figura 2., Experimentul lui Millikan a măsurat încărcarea picăturilor individuale de ulei. Datele tabelate sunt exemple de câteva valori posibile.
Uitându-se la acuzația de date care Millikan s-au adunat, ați recunoscut că taxa de o picătură de ulei este întotdeauna un multiplu de o taxă specifică, de 1,6 × 10-19 C. Millikan a concluzionat că această valoare trebuie să fie, prin urmare, o fundamentale taxă—taxa de un singur electron—cu măsurată taxe ca urmare a unui exces de un electron (de 1 de ori de 1,6 × 10-19 C), doi electroni (de 2 ori cu 1,6 × 10-19 C), trei electroni (de 3 ori 1.,6 × 10-19 C) și așa mai departe, pe o picătură de ulei dată. Deoarece sarcina unui electron era acum cunoscut datorită Millikan de cercetare, iar taxa-pentru-raportul de masă a fost deja cunoscut datorită lui Thomson cercetare (1.759 × 1011 C/kg), este necesar doar un calcul simplu pentru a determina masa electronului, precum și.
\text{Masă de electroni}=1.602\ori {10}^{-19}\text{C}\times\frac{1\text{kg}}{1.759\ori {10}^{11}\text{C}}=9.,107\ori {10}^{-31}\text{kg}
oamenii de Știință au stabilit că atomul nu era indivizibilă ca Dalton a crezut, și datorită muncii de Thomson, Millikan, și altele, sarcina și masa negative, particule subatomice—electronii—au cunoscut. Cu toate acestea, partea încărcată pozitiv a unui atom nu a fost încă bine înțeleasă. În 1904, Thomson a propus „budinca de prune” model de atomi, care a descris-o încărcat pozitiv masă cu o cantitate egală de sarcină negativă în formă de electroni încorporat în ea, deoarece toți atomii sunt electric neutri., Un model concurent a fost propus în 1903 de Hantaro Nagaoka, care a postulat un atom asemănător lui Saturn, format dintr-o sferă încărcată pozitiv înconjurată de un halou de electroni (Figura 3).
Figura 3. (a) Thomson a sugerat că atomii seamănă cu budinca de prune, un desert englezesc format din tort umed cu stafide încorporate („prune”). (B) Nagaoka a propus ca atomii să semene cu planeta Saturn, cu un inel de electroni care înconjoară o „planetă” pozitivă.,”(credit: modificarea munca de „Om vyi”/Wikimedia Commons; credit b: modificarea munca de „NASA”/Wikimedia Commons)
următoarea evoluție majoră în înțelegerea atom venit de la Ernest Rutherford, un fizician din Noua Zeelandă, care în mare măsură a petrecut cariera științifică în Canada și Anglia., El a efectuat o serie de experimente folosind un fascicul de particule alfa de mare viteză, încărcate pozitiv (particule α) care au fost produse prin dezintegrarea radioactivă a radiului; particulele α constau din doi protoni și doi neutroni (veți afla mai multe despre dezintegrarea radioactivă în modulul privind chimia nucleară)., Rutherford și colegii lui Hans Geiger (mai târziu renumit pentru contor Geiger) și Ernest Marsden vizează un fascicul de particule α, sursa din care a fost încorporat într-un bloc de plumb pentru a absorbi cea mai mare parte a radiațiilor, la o foarte mică bucată de folie de aur și a examinat rezultat împrăștierea de particule α, folosind un ecran luminescent care strălucea pe scurt unde a lovit de un α particule.
ce au descoperit? Cele mai multe particule au trecut prin folie fără a fi deviate deloc., Cu toate acestea, unele au fost deviate ușor, și un număr foarte mic au fost deviate aproape drept înapoi spre sursă (Figura 4). Rutherford a descris găsirea acestor rezultate: „a fost cel mai incredibil eveniment care mi s-a întâmplat vreodată în viața mea. A fost aproape la fel de incredibil ca și cum ai tras un cartuș de 15 inch într-o bucată de hârtie absorbantă și s-a întors și te-a lovit.”
Figura 4., Geiger și Rutherford au tras particule α într-o bucată de folie de aur și au detectat unde s-au dus acele particule, așa cum se arată în această diagramă schematică a experimentului lor. Majoritatea particulelor au trecut direct prin folie, dar câteva au fost deviate ușor și un număr foarte mic au fost deviate semnificativ.Iată ce a dedus Rutherford: deoarece majoritatea particulelor α cu mișcare rapidă au trecut prin atomii de aur nedeflectați, trebuie să fi călătorit prin spațiul esențial gol din interiorul atomului., Particulele alfa sunt încărcate pozitiv, astfel încât deformările au apărut atunci când au întâlnit o altă sarcină pozitivă (cum ar fi încărcăturile se resping reciproc). Deoarece încărcăturile asemănătoare se resping reciproc, puținele particule α încărcate pozitiv care au schimbat brusc căile trebuie să fi lovit sau să se apropie îndeaproape de un alt corp care avea și o încărcătură pozitivă foarte concentrată. Deoarece deformările au avut loc o mică parte din timp, această încărcare a ocupat doar o cantitate mică de spațiu în folia de aur., Analizând în detaliu o serie de astfel de experimente, Rutherford a tras două concluzii:
- volumul ocupat de un atom trebuie să constea dintr-o cantitate mare de spațiu gol.
- un corp mic, relativ greu, încărcat pozitiv, nucleul, trebuie să fie în centrul fiecărui atom.
Această analiză a dus Rutherford de a propune un model în care un atom este format dintr-un foarte mic, nucleu încărcat pozitiv, în care cele mai multe dintre masa atomului este concentrată, înconjurat de electroni incarcati negativ, astfel încât atomul este neutru electric (Figura 5). După multe alte experimente, Rutherford a descoperit, de asemenea, că nucleele altor elemente conțin nucleul de hidrogen ca un „bloc de construcție” și a numit această particulă fundamentală protonul, particula subatomică încărcată pozitiv Găsită în nucleu., Cu o singură adăugare, pe care o veți învăța în continuare, acest model nuclear al atomului, propus în urmă cu peste un secol, este încă folosit astăzi.
Figura 5. Particulele α sunt deviate numai atunci când se ciocnesc sau trec aproape de nucleul de aur mult mai greu, încărcat pozitiv. Deoarece nucleul este foarte mic în comparație cu dimensiunea unui atom, foarte puține particule α sunt deviate. Majoritatea trec prin regiunea relativ mare ocupată de electroni, care sunt prea ușori pentru a devia particulele care se mișcă rapid.,simularea împrăștierii Rutherford vă permite să investigați diferențele dintre un atom de” budincă de prune ” și un atom Rutherford prin arderea particulelor α la fiecare tip de atom.o altă constatare importantă a fost descoperirea izotopilor. La începutul anilor 1900, oamenii de știință au identificat mai multe substanțe care păreau a fi elemente noi, izolându-le de minereuri radioactive. De exemplu, un „element nou” produs de dezintegrarea radioactivă a toriului a primit inițial numele de mezotoriu., Cu toate acestea, o analiză mai detaliată a arătat că mezotoriul era identic chimic cu radiul (un alt produs de dezintegrare), în ciuda faptului că avea o masă atomică diferită. Acest rezultat, împreună cu constatările similare pentru alte elemente, l-au determinat pe chimistul englez Frederick Soddy să realizeze că un element ar putea avea tipuri de atomi cu mase diferite care nu pot fi distinse chimic. Aceste tipuri diferite se numesc izotopi-atomi ai aceluiași element care diferă în masă. Soddy a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1921 pentru această descoperire.,
Un puzzle a rămas: nucleul era cunoscut că conține aproape toată masa unui atom, numărul de protoni furnizând doar jumătate sau mai puțin din acea masă. Au fost făcute diferite propuneri pentru a explica ce a constituit masa rămasă, inclusiv existența particulelor neutre în nucleu. După cum v-ați putea aștepta, detectarea particulelor neîncărcate este foarte dificilă și abia în 1932 James Chadwick a găsit dovezi de neutroni, particule subatomice neîncărcate, cu o masă aproximativ aceeași cu cea a protonilor., Existența neutronului a explicat și izotopii: ele diferă în masă deoarece au un număr diferit de neutroni, dar sunt identice din punct de vedere chimic deoarece au același număr de protoni. Acest lucru va fi explicat mai detaliat mai târziu.deși nimeni nu a văzut de fapt interiorul unui atom, experimentele au demonstrat multe despre structura atomică. Tubul catodic al lui Thomson a arătat că atomii conțin particule mici, încărcate negativ, numite electroni., Millikan a descoperit că există o sarcină electrică fundamentală—sarcina unui electron. Experimentul cu folie de aur al lui Rutherford a arătat că atomii au un nucleu mic, dens, încărcat pozitiv; particulele încărcate pozitiv din nucleu se numesc protoni. Chadwick a descoperit că nucleul conține și particule neutre numite neutroni. Soddy a demonstrat că atomii aceluiași element pot diferi în masă; acestea se numesc izotopi.
încercați
- existența izotopilor încalcă una dintre ideile originale ale teoriei atomice a lui Dalton. Care?,
- cum sunt electronii și protonii asemănători? Cum sunt ele diferite?
- cum sunt protonii și neutronii asemănători? Cum sunt ele diferite?
- preziceți și testați comportamentul particulelor α trase la un atom model de „budincă de prune”.
- prezice căile luate de particulele α care sunt trase la atomi cu o structură model de budincă de prune Thomson. Explicați de ce vă așteptați ca particulele α să ia aceste căi.,
- dacă particulele α de energie mai mare decât cele din (a) sunt arse la atomii de budincă de prune, preziceți modul în care căile lor vor diferi de căile particulelor α cu energie mai mică. Explică-ți raționamentul.
- acum Testează-ți predicțiile de la (a) și (b). Deschideți simularea de împrăștiere Rutherford și selectați fila „Plum Pudding Atom”. Setați ” Alpha Particles Energy „La” min „și selectați” show traces.”Faceți clic pe arma pentru a începe arderea particulelor α. Acest lucru se potrivește cu predicția dvs. de la (a)? Dacă nu, explicați de ce calea reală ar fi cea prezentată în simulare. Apăsați butonul de pauză sau ” Resetați toate.,”Setați” energia particulelor alfa ” la ” max ” și începeți să ardeți particule α. Acest lucru se potrivește cu predicția dvs. de la (b)? Dacă nu, explicați efectul energiei crescute asupra căilor reale, așa cum se arată în simulare.
- prezice și testa comportamentul particulelor α trase la un model de Atom Rutherford.
- prezice căile luate de particulele α care sunt trase la atomi cu o structură model de Atom Rutherford. Explicați de ce vă așteptați ca particulele α să ia aceste căi.,
- dacă particulele α de energie mai mare decât cele din (a) sunt trase la atomii Rutherford, preziceți modul în care căile lor vor diferi de căile particulelor α cu energie mai mică. Explică-ți raționamentul.
- prezice modul în care căile luate de particulele α vor diferi dacă sunt trase la atomii Rutherford ai altor elemente decât aurul. Ce factor vă așteptați să cauzeze această diferență în căi, și de ce?
- acum Testează-ți predicțiile de la (A), (b) și (c). Deschideți simularea de împrăștiere Rutherford și selectați fila „Rutherford Atom”., Datorită scării simulării, cel mai bine este să începeți cu un nucleu mic, deci selectați „20” atât pentru protoni, cât și pentru neutroni, „min” pentru energie, arătați urme și apoi începeți să ardeți particule α. Acest lucru se potrivește cu predicția dvs. de la (a)? Dacă nu, explicați de ce calea reală ar fi cea prezentată în simulare. Întrerupeți sau resetați, setați energia la ” max ” și începeți să ardeți particule α. Acest lucru se potrivește cu predicția dvs. de la (b)? Dacă nu, explicați efectul energiei crescute pe calea reală, așa cum se arată în simulare., Pauză sau resetare, selectați „40” pentru protoni și neutroni, „min” pentru energie, arată urme, și foc departe. Acest lucru se potrivește cu predicția dvs. de la (c)? Dacă nu, explicați de ce calea reală ar fi cea prezentată în simulare. Repetați acest lucru cu un număr mai mare de protoni și neutroni. Ce generalizare puteți face în ceea ce privește tipul de atom și efectul asupra căii particulelor α? Fii clar și specific.
Glosar
particule alfa (α particule): particule încărcate pozitiv, constând din doi protoni și doi neutroni
electron: încărcat negativ, particule subatomice de masă relativ mică situat în afara nucleului
izotopi: atomi care conțin același număr de protoni, dar număr diferit de neutroni
neutron: neîncărcată, particule subatomice, situat în nucleul
nucleu: masiv, încărcat pozitiv centrul unui atom format din protoni și neutroni
proton: încărcat pozitiv, particule subatomice, situat în nucleul
Lasă un răspuns