Planetarni model Rutherforda, atoma v modelu Rutherford

Odkritja na področju atomske strukture so postala pomemben korak v razvoju fizike. Velikega pomena je bil model Rutherforda. Atom kot sistem in delci, njegovi sestavni deli, smo natančneje in podrobneje preučili. To je pripeljalo do uspešnega razvoja takšne znanosti kot jedrske fizike.

Starodavni koncepti strukture snovi

Predpostavka, da so okoliška telesa sestavljena iz najmanjših delcev, so bila izražena tudi v antičnih časih. Misli časa so predstavljali atom v obliki drobnega in nedeljivega delca katere koli snovi. Trdili so, da ni nič manjše v vesolju kot atom. Take poglede so imeli veliki antični grški učenjaki in filozofi - Demokrit, Lucretius, Epikur. Hipoteze teh mislecev so danes združene pod imenom »antični atomizem«.

Srednjeveške predstavitve

Časi antike so minili, v srednjem veku pa so bili tudi znanstveniki, ki so izrazili različne predpostavke o strukturi snovi. Vendar pa je razširjenost verskih filozofskih pogledov in moč cerkve v tem obdobju zgodovine v korenu preprečevala kakršne koli poskuse in težnje človeškega uma do materialnih znanstvenih zaključkov in odkritij. Kot veste, je bila srednjeveška inkvizicija zelo neprijazna predstavnikom znanstvenega sveta tistega časa. Ostanek je reči, da so tisti svetli umi prišli iz antike ideje nedeljivosti atoma.

Študije iz 18. in 19. stoletja

18. stoletje so zaznamovale resna odkritja na področju elementarne strukture snovi. Na veliko načinov, zahvaljujoč prizadevanjem znanstvenikov, kot so Antoin Lavoisier, Mikhail Lomonosov in John Dalton. Ne glede na druge so uspeli dokazati, da atomi obstajajo. Toda vprašanje njihove notranje strukture je ostalo odprto. Konec 18. stoletja je zaznamoval tako izjemen dogodek v znanstvenem svetu kot odkritje DI Mendelejeva o periodičnem sistemu kemijskih elementov. To je postalo resnično močan preboj tega časa in odprl tančico nad razumevanjem, da so vsi atomi enotne narave, da so med seboj povezani. Kasneje, v 19. stoletju, je bil še en pomemben korak k odstranjevanju strukture atoma dokaz, da v katerem koli od njih obstaja elektron. Delo znanstvenikov tega obdobja je pripravilo plodno podlago za odkritja 20. stoletja.

Thomsonov poskus

Angleški fizik John Thomson je leta 1897 dokazal, da sestava atomov vključuje elektrone z negativnim nabojem. Na tej stopnji je lažno pojem, da je atom meja delitve katere koli snovi, popolnoma uničena. Kako je Thomson uspel dokazati obstoj elektronov? Znanstvenik v svojih eksperimentih je močno postavil redčeni plini elektrode in opravili električni tok. Posledično so se pojavili katodni žarki. Thomson je skrbno preučil njihove značilnosti in ugotovil, da gre za tok nabitih delcev, ki se premikajo z izjemno hitrostjo. Znanstvenik je lahko izračunal maso teh delcev in njihovo polnjenje. Ugotovil je tudi, da jih ni mogoče pretvoriti v nevtralne delce, saj je električna energija osnova njihove narave. Tako so bili Elektroni so odprti. Thomson je tudi prvi svetovni model strukture atoma. Po njegovem mnenju je atom kup pozitivno nabite snovi, v katerem so negativno napolnjeni elektroni enakomerno porazdeljeni. Takšna struktura razlaga splošno nevtralnost atomov, saj se nasprotni ravnotežji med seboj ravnotežja. Poskusi John Thomsona so postali neprecenljivi za nadaljnje študije strukture atoma. Vendar je veliko vprašanj ostalo neodgovorjeno.

Raziskave Rutherforda

Thomson je odkril obstoj elektronov, vendar v atomu ni mogel najti pozitivno nabranih delcev. Ernest Rutherford je popravil ta nesporazum leta 1911. V poskusih, ki so proučevali aktivnost alfa delcev v plinih, je odkril, da so delci prisotni v atomu, ki so pozitivno napolnjeni. Rutherford je videl, da ko žarki prehajajo skozi plin ali skozi tanko kovinsko ploščo, se majhna količina delcev zanika od poti gibanja. Dobesedno so jih vrgli nazaj. Znanstvenik je uganil, da je to vedenje posledica trčenja z pozitivno nabranimi delci. Takšni poskusi so fiziki omogočili, da ustvari model strukture atoma Rutherforda.

Planetarni model

Zdaj se je stališče znanstvenika nekoliko razlikovalo od predpostavk John Thomsona. Njihovi modeli atomov so postali drugačni. Izkušnje Rutherforda mu je omogočilo, da na tem področju ustvari popolnoma novo teorijo. Odkritja znanstvenika so bila odločilnega pomena za nadaljnji razvoj fizike. Model Rutherford opisuje atom kot jedro, ki se nahaja v središču, in elektroni, ki se gibljejo okoli njega. Jedro ima pozitivno energijo, elektroni pa negativni. Model atoma po Rutherfordu je prevzel rotacijo elektronov okrog jedra ob določenih poteh - orbite. Odkritje znanstvenika je pomagalo razložiti razlog za deformacijo alfa delcev in postalo zagon za razvoj jedrske teorije atoma. V modelu Rutherfordovega atoma je opaziti analogijo s gibanjem planetov sončnega sistema okoli Sonca. To je zelo natančna in živa primerjava. Zato je bil Rutherfordov model, atom, v katerem krožita jedro okoli jedra, imenovan planetarni.

Delo Niels Bohr

Dva leta kasneje je danski fizik Niels Bohr poskušal združiti ideje o strukturi atoma s kvantnimi lastnostmi svetlobnega toka. Jedrski model aterja Rutherforda je postavil znanstvenik v utemeljitev svoje nove teorije. Po Bohrovi predpostavki se atomi vrtijo okoli jedra vzdolž krožnih orbit. Takšna potek gibanja povzroči pospešitev elektronov. Poleg tega je Coulombova interakcija teh delcev s središčem atoma povezana z ustvarjanjem in porabo energije za vzdrževanje prostorskega elektromagnetnega polja, ki izhaja iz gibanja elektronov. V takšnih pogojih bi morali negativno napolnjene delce nekega dne pasti na jedro. Vendar se to ne zgodi, kar kaže na večjo stabilnost atomov kot sistemov. Niels Bohr je spoznal, da zakoni klasične termodinamike, opisani z Maxwellovimi enačbami, ne delujejo pod intraatomskimi pogoji. Zato je znanstvenik sam postavil nalogo, da bi izpeljal nove zakone, ki bi veljali v svetu elementarnih delcev.

Plakati iz Bore

V veliki meri zaradi dejstva, da je obstajal model Rutherforda, je bil atom in njegovi sestavni deli dobro preučeni, Niels Bohr se je lahko približal ustvarjanju njegovih postulatov. Prvi izmed njih pravi, da ima atoma stacionarna stanja, pod katerimi ne spreminja svoje energije, in se elektroni premikajo po orbitih, ne da bi spremenili svojo pot. Po drugem postulatu, ko se elektron iz ene orbite preide v drugo, se energija spusti ali absorbira. Je enaka razliki med energijami prejšnjega in naslednja stanja atoma. V tem primeru, če elektron skoči na orbito blizu jedra, nato sevanja energija (foton), in obratno. Kljub dejstvu, da gibanje elektronov ne spominja na orbitalno pot, ki se nahaja tik ob obodu, je Bohrovo odkritje omogočilo odlično razlago obstoja linijskega spektra atom vodika. Približno istočasno fiziki Hertz in Frank, ki so živeli v Nemčiji, so potrdili Niels Bohrjevo doktrino o obstoju stacionarnih, stabilnih stanj atoma in možnosti spreminjanja vrednosti atomske energije.

Sodelovanje dveh znanstvenikov

Mimogrede, Rutherford dolgo časa ni mogel ugotoviti polnjenje jedra. Znanstveniki Marsden in Geiger poskušali izvesti navzkrižnega preverjanja terjatev Ernest Rutherford, in kot rezultat skrbnih in natančnih poskusov in izračuni so prišli do zaključka, da je jedro od glavnih značilnosti atoma, in se osredotoča vse svoje stroške. Kasneje se je izkazalo, da je jedrska naboj številčno enaka vrednosti zaporedna številka elementa v periodnem sistemu od Mendelejev. Zanimivo je, da se je Niels Bohr kmalu seznanil z Rutherfordom in se popolnoma strinjal s svojimi stališči. V prihodnosti so znanstveniki skupaj delali skupaj v enem laboratoriju. Model Rutherford je atoma kot sistem, sestavljen iz elementarno nabitih delcev - vse Niels Bohr obravnavati pošteno in za vse odložil svoj elektronski modela. Skupna znanstvena dejavnost znanstvenikov je bila zelo uspešna in je prinesla sadove. Vsak od njih je šel globoko v študij lastnosti elementarnih delcev in naredil pomembna odkritja za znanost. Kasneje je Rutherford odkril in dokazal možnost jedrske razgradnje, vendar je to že tema drugega članka.