ใครเป็นผู้สร้างแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม
นักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีกโบราณและอินเดียโบราณเชื่อว่าสสารทั้งหมดรอบตัวเราประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ไม่สามารถแบ่งออกได้
พวกเขาแน่ใจว่าไม่มีสิ่งใดในโลกที่เล็กกว่าอนุภาคเหล่านี้ที่พวกเขาเรียกว่า อะตอม . และแท้จริงแล้วการมีอยู่ของอะตอมได้รับการพิสูจน์ในเวลาต่อมาโดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังเช่น Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov, John Dalton อะตอมถูกพิจารณาว่าแบ่งแยกไม่ได้จนกระทั่งปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 เมื่อเห็นได้ชัดว่าไม่เป็นเช่นนั้น
การค้นพบอิเล็กตรอน แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
โจเซฟ จอห์น ทอมสัน
ในปี พ.ศ. 2440 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ได้ทำการทดลองพฤติกรรมของรังสีแคโทดในสนามแม่เหล็กและ สนามไฟฟ้าพบว่ารังสีเหล่านี้เป็นกระแสของอนุภาคที่มีประจุลบ ความเร็วการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้ต่ำกว่าความเร็วแสง ดังนั้นพวกมันจึงมีมวล พวกเขามาจากไหน? นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของอะตอม เขาเรียกพวกเขา คลังข้อมูล . ต่อมาพวกเขาเริ่มถูกเรียกว่า อิเล็กตรอน . ดังนั้นการค้นพบอิเล็กตรอนจึงยุติทฤษฎีการแบ่งแยกอะตอมไม่ได้
แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
ทอมสันเสนอแบบจำลองอะตอมอิเล็กทรอนิกส์ตัวแรก ตามที่กล่าวไว้อะตอมคือลูกบอลซึ่งภายในนั้นมีสารที่มีประจุอยู่ซึ่งมีประจุบวกซึ่งมีการกระจายเท่า ๆ กันตลอดทั้งปริมาตร และอิเล็กตรอนก็กระจายอยู่ในสารนี้ เหมือนกับลูกเกดในขนมปัง โดยทั่วไปอะตอมจะมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า รุ่นนี้ถูกเรียกว่า "รุ่นพุดดิ้งพลัม"
แต่แบบจำลองของทอมสันกลับกลายเป็นว่าผิด ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้ว นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเซอร์เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด.
ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด
เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด
โครงสร้างอะตอมมีโครงสร้างอย่างไร? รัทเทอร์ฟอร์ดตอบคำถามนี้หลังจากทำการทดลองในปี 1909 ร่วมกับนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ฮานส์ ไกเกอร์ และนักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ เอิร์นส์ มาร์สเดน
ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด
จุดประสงค์ของการทดลองคือเพื่อศึกษาอะตอมโดยใช้อนุภาคอัลฟา ซึ่งเป็นลำแสงโฟกัสที่บินออกมา ความเร็วมหาศาลมุ่งตรงไปยังแผ่นฟอยล์สีทองที่บางที่สุด ด้านหลังฟอยล์มีหน้าจอเรืองแสง เมื่ออนุภาคชนกัน จะเกิดแสงวาบขึ้นซึ่งสามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์
ถ้าทอมสันพูดถูก และอะตอมประกอบด้วยเมฆอิเล็กตรอน อนุภาคก็ควรจะบินผ่านฟอยล์ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ถูกเบี่ยงเบนไป เนื่องจากมวลของอนุภาคอัลฟ่ามีมวลมากกว่ามวลของอิเล็กตรอนประมาณ 8000 เท่า อิเล็กตรอนจึงไม่สามารถมีอิทธิพลต่อมันและเบี่ยงเบนวิถีของมันไปในมุมที่กว้างได้ เช่นเดียวกับกรวดที่มีน้ำหนัก 10 กรัมก็ไม่สามารถเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ของรถที่กำลังเคลื่อนที่ได้
แต่ในทางปฏิบัติทุกอย่างกลับแตกต่างออกไป อนุภาคส่วนใหญ่บินผ่านฟอยล์จริงๆ โดยมีการโก่งตัวเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย แต่อนุภาคบางส่วนเบี่ยงเบนไปค่อนข้างมากหรือแม้กระทั่งดีดกลับ ราวกับว่ามีสิ่งกีดขวางบางอย่างเกิดขึ้นบนเส้นทางของมัน ดังที่รัทเทอร์ฟอร์ดกล่าวไว้เอง มันช่างเหลือเชื่อราวกับเปลือกหอยขนาด 15 นิ้วกระเด้งกับกระดาษทิชชู่
อะไรทำให้อนุภาคอัลฟ่าบางตัวเปลี่ยนทิศทางมากขนาดนี้ นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าเหตุผลนี้เป็นส่วนหนึ่งของอะตอมที่กระจุกตัวอยู่ในปริมาตรที่น้อยมากและมีประจุบวก เขาโทรหาเธอ นิวเคลียสของอะตอม.
แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ด
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกหนาแน่นซึ่งอยู่ที่ใจกลางอะตอมและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส โดยทั่วไปอะตอมจะเป็นกลาง ประจุนิวเคลียร์บวก เท่ากับผลรวมประจุลบของอิเล็กตรอนทุกตัวในอะตอม แต่อิเล็กตรอนไม่ได้ฝังอยู่ในนิวเคลียสเหมือนในแบบจำลองของทอมสัน แต่หมุนรอบนิวเคลียสเหมือนกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ การหมุนของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงคูลอมบ์ที่กระทำต่อพวกมันจากนิวเคลียส ความเร็วของการหมุนของอิเล็กตรอนนั้นมหาศาล เหนือพื้นผิวของแกนกลางพวกมันก่อตัวเป็นเมฆชนิดหนึ่ง แต่ละอะตอมมีเมฆอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบเป็นของตัวเอง ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงไม่ "ติดกัน" แต่ผลักกัน
เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับระบบสุริยะ แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงถูกเรียกว่าดาวเคราะห์
ทำไมอะตอมจึงมีอยู่?
อย่างไรก็ตาม แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมอะตอมจึงเสถียรมาก ตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก อิเล็กตรอนที่หมุนในวงโคจรเคลื่อนที่ด้วยความเร่งจึงปล่อยออกมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสูญเสียพลังงาน ในที่สุดพลังงานนี้ก็ต้องหมดลงและอิเล็กตรอนจะต้องตกลงไปในนิวเคลียส หากเป็นเช่นนั้น อะตอมก็จะดำรงอยู่ได้เพียง 10 -8 วินาทีเท่านั้น แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงไม่เกิดขึ้น?
สาเหตุของปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายในภายหลังโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr เขาเสนอว่าอิเล็กตรอนในอะตอมเคลื่อนที่ในวงโคจรคงที่เท่านั้น ซึ่งเรียกว่า "วงโคจรที่อนุญาต" ขณะอยู่บนนั้นพวกมันจะไม่ปล่อยพลังงานออกมา และการปล่อยหรือการดูดกลืนพลังงานจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรที่ได้รับอนุญาตไปยังอีกวงหนึ่งเท่านั้น หากนี่คือการเปลี่ยนจากวงโคจรระยะไกลมาใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น พลังงานก็จะถูกแผ่ออกไป และในทางกลับกัน รังสีจะเกิดขึ้นในส่วนที่เรียกว่า ควอนตัม.
แม้ว่าแบบจำลองที่รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายไว้จะไม่สามารถอธิบายความเสถียรของอะตอมได้ แต่ก็ทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในการศึกษาโครงสร้างของอะตอม
มีการเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมรุ่นแรกๆ เจ. ทอมสันในปี 1904 อะตอมถูกจินตนาการว่าเป็น "ทะเลแห่งไฟฟ้าเชิงบวก" โดยมีอิเล็กตรอนสั่นอยู่ในนั้น ประจุลบรวมของอิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเท่ากับประจุบวกรวมของมัน
ประสบการณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ด
เพื่อทดสอบสมมติฐานของทอมสันและอื่นๆ คำจำกัดความที่แม่นยำโครงสร้างอะตอม อี. รัทเธอร์ฟอร์ดได้จัดชุดการทดลองเรื่องการกระเจิง α -อนุภาคที่มีแผ่นโลหะบาง-ฟอยล์ ในปี ค.ศ. 1910 นักเรียนของรัทเธอร์ฟอร์ด ฮันส์ ไกเกอร์และ เออร์เนสต์ มาร์สเดนได้ทำการทดลองวางระเบิด α -อนุภาคของแผ่นโลหะบางๆ พวกเขาพบว่าส่วนใหญ่ α -อนุภาคทะลุผ่านฟอยล์โดยไม่เปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ และนี่ก็ไม่น่าแปลกใจถ้าเรายอมรับความถูกต้องของแบบจำลองอะตอมของทอมสัน
แหล่งที่มา α - การแผ่รังสีถูกวางไว้ในก้อนตะกั่วโดยมีช่องเจาะอยู่ในนั้นเพื่อให้สามารถรับฟลักซ์ได้ α -อนุภาคบินไปในทิศทางที่กำหนด อนุภาคอัลฟ่าเป็นอะตอมฮีเลียมที่แตกตัวเป็นไอออนสองเท่า ( ไม่ใช่ 2+). พวกมันมีประจุบวก +2 และมีมวลเกือบ 7,350 เท่าของมวลอิเล็กตรอน การขึ้นจอเคลือบด้วยซิงค์ซัลไฟด์ α - อนุภาคทำให้มันเรืองแสง และด้วยแว่นขยาย เราสามารถมองเห็นและนับแสงวาบแต่ละครั้งที่ปรากฏบนหน้าจอเมื่อแต่ละอันกระทบกับมัน α -อนุภาค ฟอยล์ถูกวางอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดรังสีและหน้าจอ จากแสงวาบบนหน้าจอ เราสามารถตัดสินการกระเจิงได้ α -อนุภาคเช่น เกี่ยวกับการเบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมเมื่อผ่านชั้นโลหะ
ปรากฎว่าคนส่วนใหญ่ α -อนุภาคทะลุผ่านฟอยล์โดยไม่เปลี่ยนทิศทาง แม้ว่าความหนาของฟอยล์จะสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางอะตอมนับแสนก็ตาม แต่บางส่วน α -อนุภาคยังคงเบี่ยงเบนไปในมุมเล็กๆ และบางครั้งบางคราว α - อนุภาคเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่กะทันหันและแม้กระทั่ง (ประมาณ 1 ใน 100,000) ก็ถูกโยนกลับไป ราวกับว่าพวกมันเผชิญกับสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ กรณีของการเบี่ยงเบนที่รุนแรงเช่นนี้ α - สามารถสังเกตอนุภาคได้โดยการเลื่อนหน้าจอด้วยแว่นขยายตามแนวส่วนโค้ง
จากผลการทดลองนี้สามารถสรุปได้ ข้อสรุปต่อไปนี้:
- มี "อุปสรรค" บางอย่างอยู่ในอะตอมซึ่งเรียกว่านิวเคลียส
- นิวเคลียสมีประจุบวก (มิฉะนั้นจะมีประจุบวก α -อนุภาคจะไม่ถูกสะท้อนกลับ)
- นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม (เพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้น) α -อนุภาคเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่)
- นิวเคลียสมีมวลมากเมื่อเทียบกับมวล α -อนุภาค
รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายผลการทดลองโดยการเสนอ แบบจำลอง "ดาวเคราะห์" ของอะตอมซึ่งเปรียบเสมือนเขา ระบบสุริยะ. ตามแบบจำลองของดาวเคราะห์ ณ ใจกลางอะตอมจะมีนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กมากซึ่งมีขนาดประมาณ 100,000 เท่า ขนาดที่เล็กกว่าอะตอมนั้นเอง นิวเคลียสนี้มีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมและมีประจุบวก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียส ซึ่งจำนวนนี้จะถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียส วิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายนอกเป็นตัวกำหนด มิติภายนอกอะตอม. เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมอยู่ที่ 10 -8 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสอยู่ที่ 10 -13 ۞ 10 -12 ซม.
ยิ่งประจุของนิวเคลียสของอะตอมมากเท่าใด แรงผลักจากนิวเคลียสก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น α -อนุภาค มักจะเกิดกรณีของการเบี่ยงเบนที่รุนแรงมากขึ้น α -อนุภาคที่ผ่านชั้นโลหะจากทิศทางเริ่มต้นของการเคลื่อนที่ ดังนั้นการทดลองกระเจิง α -อนุภาคช่วยให้ไม่เพียงแต่ตรวจจับการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอมเท่านั้น แต่ยังตรวจสอบประจุของมันด้วย จากการทดลองของรัทเธอร์ฟอร์ด ตามมาด้วยว่าประจุของนิวเคลียส (แสดงเป็นหน่วยประจุอิเล็กตรอน) จะเป็นตัวเลขเท่ากับเลขลำดับขององค์ประกอบในตารางธาตุ สิ่งนี้ได้รับการยืนยันแล้ว จี. โมสลีย์ซึ่งก่อตั้งเมื่อปี พ.ศ. 2456 เป็นการเชื่อมโยงอย่างง่ายระหว่างความยาวคลื่นของเส้นบางเส้นในสเปกตรัมรังสีเอกซ์ของธาตุกับเลขอะตอม และ ดี. แชดวิคซึ่งในปี พ.ศ. 2463 ได้กำหนดประจุของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุจำนวนหนึ่งด้วยความแม่นยำอย่างยิ่งโดยการกระเจิง α -อนุภาค
ความหมายทางกายภาพของหมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบในระบบคาบถูกสร้างขึ้น: หมายเลขซีเรียลกลายเป็นค่าคงที่ที่สำคัญที่สุดขององค์ประกอบซึ่งแสดงประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอมของมัน จากความเป็นกลางทางไฟฟ้าของอะตอม จะตามมาว่าจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสเท่ากับเลขอะตอมของธาตุ
การค้นพบนี้ให้เหตุผลใหม่ในการจัดเรียงองค์ประกอบในตารางธาตุ ในเวลาเดียวกัน ยังได้ขจัดความขัดแย้งที่ชัดเจนในระบบเมนเดเลเยฟ นั่นคือตำแหน่งของธาตุบางชนิดที่มีมวลอะตอมสูงกว่าธาตุที่มีมวลอะตอมต่ำกว่า (เทลลูเรียมและไอโอดีน อาร์กอนและโพแทสเซียม โคบอลต์และนิกเกิล) ปรากฎว่าไม่มีความขัดแย้งที่นี่เนื่องจากตำแหน่งขององค์ประกอบในระบบถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียสของอะตอม เป็นที่ยอมรับจากการทดลองว่าประจุนิวเคลียร์ของอะตอมเทลลูเรียมคือ 52 และประจุของอะตอมไอโอดีนคือ 53 ดังนั้นเทลลูเรียมถึงแม้จะมีมวลอะตอมมากก็ต้องมาก่อนไอโอดีน ในทำนองเดียวกันประจุของนิวเคลียสของอาร์กอนและโพแทสเซียมนิกเกิลและโคบอลต์จะสอดคล้องกับลำดับการจัดเรียงองค์ประกอบเหล่านี้ในระบบอย่างสมบูรณ์
ดังนั้นประจุของนิวเคลียสของอะตอมจึงเป็นปริมาณพื้นฐานที่คุณสมบัติขององค์ประกอบและตำแหน่งขององค์ประกอบในตารางธาตุขึ้นอยู่กับ นั่นเป็นเหตุผล กฎเป็นระยะของเมนเดเลเยฟ ปัจจุบันสามารถกำหนดได้ดังนี้:
คุณสมบัติขององค์ประกอบและสารเชิงซ้อนและซับซ้อนที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับประจุของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุเป็นระยะ ๆ
การกำหนดเลขลำดับของธาตุตามประจุของนิวเคลียสของอะตอม ทำให้สามารถกำหนดจำนวนตำแหน่งทั้งหมดในตารางธาตุระหว่างไฮโดรเจนซึ่งมีเลขลำดับ 1 และยูเรเนียม (เลขอะตอม 92) ซึ่งในขณะนั้น เวลาถือเป็นสมาชิกตัวสุดท้ายของระบบธาตุ เมื่อทฤษฎีโครงสร้างอะตอมถูกสร้างขึ้น ตำแหน่งที่ 43, 61, 72, 75, 85 และ 87 ยังคงว่างเปล่า ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ขององค์ประกอบที่ยังไม่ถูกค้นพบ อันที่จริงในปี พ.ศ. 2465 มีการค้นพบธาตุฮาฟเนียม ซึ่งเกิดขึ้น 72 ธาตุ จากนั้นในปี พ.ศ. 2468 รีเนียมซึ่งเกิดขึ้น 75 องค์ประกอบที่ควรครอบครองพื้นที่ว่างสี่แห่งที่เหลือในตารางกลายเป็นสารกัมมันตภาพรังสีและไม่พบในธรรมชาติ แต่ได้มาจากการประดิษฐ์ ธาตุใหม่มีชื่อว่าเทคนีเชียม (หมายเลขซีเรียล 43), โพรมีเทียม (61), แอสทาทีน (85) และแฟรนเซียม (87) ปัจจุบันเซลล์ทั้งหมดในตารางธาตุระหว่างไฮโดรเจนและยูเรเนียมเต็มไปหมด อย่างไรก็ตาม ตารางธาตุเองก็ยังไม่สมบูรณ์
สเปกตรัมอะตอม
แบบจำลองดาวเคราะห์เป็นก้าวสำคัญในทฤษฎีโครงสร้างอะตอม อย่างไรก็ตาม ในบางประเด็นมันขัดแย้งกับข้อเท็จจริงที่เป็นที่ยอมรับอย่างมั่นคง ลองพิจารณาความขัดแย้งสองประการดังกล่าว
ประการแรก ทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายความเสถียรของอะตอมได้ อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกควรปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในรูปของคลื่นแสงเช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าที่สั่น แต่โดยการเปล่งแสง อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานบางส่วน ซึ่งนำไปสู่ความไม่สมดุลระหว่างแรงเหวี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของอิเล็กตรอนและแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตของอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียส เพื่อคืนความสมดุล อิเล็กตรอนจะต้องเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องและเคลื่อนที่เป็นเกลียวจะเข้าใกล้นิวเคลียส เมื่อพลังงานหมดลงแล้ว จะต้อง "ตก" ไปยังนิวเคลียส และอะตอมก็จะสิ้นสุดลง ข้อสรุปนี้ขัดแย้งกับคุณสมบัติที่แท้จริงของอะตอมซึ่งเป็นการก่อตัวที่มั่นคงและสามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่ถูกทำลายเป็นเวลานานมาก
ประการที่สอง แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดนำไปสู่ข้อสรุปที่ไม่ถูกต้องเกี่ยวกับธรรมชาติของสเปกตรัมอะตอม เมื่อแสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่เป็นของแข็งหรือของเหลวร้อนถูกส่งผ่านปริซึมแก้วหรือควอตซ์ จะสังเกตเห็นสิ่งที่เรียกว่าสเปกตรัมต่อเนื่องบนหน้าจอที่วางอยู่ด้านหลังปริซึม ซึ่งส่วนที่มองเห็นได้จะเป็นแถบสีที่มีสีทั้งหมดของปริซึม รุ้ง. ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการแผ่รังสีของวัตถุที่เป็นของแข็งหรือของเหลวร้อนประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆ คลื่นที่มีความถี่ต่างกันจะหักเหต่างกันโดยปริซึมและตกลงมา สถานที่ที่แตกต่างกันหน้าจอ. ชุดความถี่ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากสารเรียกว่าสเปกตรัมการแผ่รังสี ในทางกลับกัน สสารจะดูดซับรังสีที่ความถี่บางความถี่ การรวมกันของอย่างหลังเรียกว่าสเปกตรัมการดูดซึมของสาร
เพื่อให้ได้สเปกตรัม คุณสามารถใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนแทนปริซึมได้ หลังเป็นแผ่นกระจกบนพื้นผิวซึ่งมีการใช้จังหวะขนานบาง ๆ ในระยะห่างที่ใกล้กันมาก (มากถึง 1,500 จังหวะต่อ 1 มม.) เมื่อผ่านตะแกรงดังกล่าว แสงจะสลายตัวและสร้างสเปกตรัมคล้ายกับที่ได้รับจากปริซึม การเลี้ยวเบนมีอยู่ในการเคลื่อนที่ของคลื่นใดๆ และทำหน้าที่เป็นข้อพิสูจน์หลักอย่างหนึ่งเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของแสง
เมื่อได้รับความร้อน สารจะปล่อยรังสีออกมา (รังสี) ถ้ารังสีมีความยาวคลื่นเดียว จะเรียกว่าเอกรงค์เดียว ในกรณีส่วนใหญ่ การแผ่รังสีจะมีลักษณะเฉพาะโดยมีความยาวคลื่นหลายช่วง เมื่อรังสีถูกสลายเป็นส่วนประกอบที่มีสีเดียว จะได้สเปกตรัมของรังสี โดยที่ส่วนประกอบแต่ละส่วนจะแสดงเป็นเส้นสเปกตรัม
สเปกตรัมที่ได้จากการปล่อยจากอะตอมอิสระหรืออะตอมที่มีพันธะอย่างอ่อน (เช่น ในก๊าซหรือไอระเหย) เรียกว่าสเปกตรัมอะตอม
การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากของแข็งหรือของเหลวจะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเสมอ รังสีที่ปล่อยออกมาจากก๊าซและไอร้อน แทนที่จะเป็นรังสี ของแข็งและของเหลวนั้นมีความยาวคลื่นเพียงบางช่วงเท่านั้น ดังนั้น แทนที่จะแสดงแถบต่อเนื่องบนหน้าจอ คุณจะได้เส้นสีต่างๆ เรียงกันโดยคั่นด้วยช่องว่างที่มืด จำนวนและตำแหน่งของท่อเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของก๊าซร้อนหรือไอน้ำ ดังนั้นไอโพแทสเซียมจึงสร้างสเปกตรัมที่ประกอบด้วยสามเส้น - สีแดงสองเส้นและสีม่วงหนึ่งเส้น ในสเปกตรัมของไอแคลเซียมจะมีเส้นสีแดง เหลือง และเขียวหลายเส้น เป็นต้น
การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากของแข็งหรือของเหลวจะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเสมอ รังสีที่ปล่อยออกมาจากก๊าซและไอร้อน แตกต่างจากรังสีจากของแข็งและของเหลวตรงที่มีความยาวคลื่นเพียงบางช่วงเท่านั้น ดังนั้น แทนที่จะแสดงแถบต่อเนื่องบนหน้าจอ คุณจะได้เส้นสีต่างๆ เรียงกันโดยคั่นด้วยช่องว่างที่มืด จำนวนและตำแหน่งของท่อเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของก๊าซร้อนหรือไอน้ำ ดังนั้นไอโพแทสเซียมจึงให้สเปกตรัมที่ประกอบด้วยสามเส้น - สีแดงสองเส้นและสีม่วงหนึ่งเส้น ในสเปกตรัมของไอแคลเซียมจะมีเส้นสีแดง เหลือง และเขียวหลายเส้น เป็นต้น
สเปกตรัมดังกล่าวเรียกว่าสเปกตรัมเส้น พบว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของก๊าซมีสเปกตรัมแบบเส้น ซึ่งเส้นสเปกตรัมสามารถนำมารวมกันเป็นอนุกรมได้
ในแต่ละชุด การจัดเรียงเส้นจะสอดคล้องกับรูปแบบที่กำหนด สามารถอธิบายความถี่ของแต่ละบรรทัดได้ สูตรบาล์มเมอร์:
ความจริงที่ว่าอะตอมของแต่ละองค์ประกอบให้สเปกตรัมที่แน่นอนโดยสมบูรณ์ซึ่งมีอยู่ในองค์ประกอบนี้เท่านั้นและความเข้มของเส้นสเปกตรัมที่สอดคล้องกันจะสูงกว่า ยิ่งเนื้อหาขององค์ประกอบในตัวอย่างที่ถ่ายมานั้นสูงขึ้นเท่าใด ก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการกำหนดคุณภาพ และองค์ประกอบเชิงปริมาณของสารและวัสดุ วิธีการวิจัยนี้เรียกว่า การวิเคราะห์สเปกตรัม.
แบบจำลองดาวเคราะห์ของโครงสร้างของอะตอมไม่สามารถอธิบายสเปกตรัมเส้นสเปกตรัมของการปล่อยอะตอมไฮโดรเจนได้ ซึ่งน้อยกว่ามากจากการรวมกันของเส้นสเปกตรัมในอนุกรม อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสจะต้องเข้าใกล้นิวเคลียสและเปลี่ยนความเร็วอย่างต่อเนื่อง ความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมานั้นถูกกำหนดโดยความถี่ของการหมุนของมัน ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งหมายความว่าสเปกตรัมการปล่อยก๊าซของอะตอมจะต้องต่อเนื่องและต่อเนื่อง ตามแบบจำลองนี้ ความถี่ของการแผ่รังสีของอะตอมจะต้องเท่ากับความถี่เชิงกลของการสั่นสะเทือนหรือเป็นจำนวนเท่าของความถี่นั้น ซึ่งไม่สอดคล้องกับสูตรของบัลเมอร์ ดังนั้นทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงไม่สามารถอธิบายการมีอยู่ของอะตอมที่เสถียรหรือการมีอยู่ของสเปกตรัมเส้นของมันได้
ทฤษฎีควอนตัมของแสง
ในปี 1900 เอ็ม. พลังค์แสดงให้เห็นว่าความสามารถของวัตถุที่ได้รับความร้อนในการแผ่รังสีสามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องในเชิงปริมาณโดยสมมติว่าพลังงานรังสีถูกปล่อยออกมาและดูดซับโดยวัตถุไม่ต่อเนื่อง แต่แยกกัน กล่าวคือ ในส่วนแยก - ควอนตัม ขณะเดียวกันก็มีพลังงาน อีแต่ละส่วนดังกล่าวสัมพันธ์กับความถี่การแผ่รังสีโดยความสัมพันธ์ที่เรียกว่า สมการของพลังค์:
พลังค์นั่นเอง เป็นเวลานานเชื่อว่าการปล่อยและการดูดกลืนแสงด้วยควอนตัมเป็นคุณสมบัติของวัตถุที่เปล่งออกมา ไม่ใช่ตัวรังสีเองซึ่งมีความสามารถในการมีพลังงานใดๆ จึงสามารถดูดซับได้อย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตามในปี พ.ศ. 2448 ไอน์สไตน์จากการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกได้ข้อสรุปว่าพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (การแผ่รังสี) มีอยู่ในรูปของควอนตัมเท่านั้น ดังนั้นการแผ่รังสีจึงเป็นกระแสของ "อนุภาค" ของวัสดุที่แบ่งแยกไม่ได้ (โฟตอน) ซึ่งพลังงานนั้นคือ กำหนดโดย สมการของพลังค์.
เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคคือการปล่อยอิเล็กตรอนโดยโลหะภายใต้อิทธิพลของแสงที่ตกกระทบกับโลหะ ปรากฏการณ์นี้ได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในปี พ.ศ. 2431-2433 เอ.จี. สโตเลตอฟ. หากคุณวางการติดตั้งไว้ในสุญญากาศและนำไปใช้กับบันทึก มศักย์ไฟฟ้าเชิงลบ กระแสไฟฟ้าจะไม่ถูกสังเกตในวงจร เนื่องจากในช่องว่างระหว่างแผ่นและกริดไม่มีอนุภาคที่มีประจุซึ่งสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ แต่เมื่อแผ่นถูกส่องสว่างด้วยแหล่งกำเนิดแสง กัลวาโนมิเตอร์จะตรวจจับการเกิดขึ้นของกระแสไฟฟ้า (เรียกว่าโฟโตปัจจุบัน) ซึ่งเป็นพาหะของกระแสไฟฟ้าที่เป็นอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะด้วยแสง
ปรากฎว่าเมื่อความเข้มของแสงเปลี่ยนไปเฉพาะจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงนั่นคือ ความแรงของกระแสไฟ แต่พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ปล่อยออกมาจากโลหะนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของการส่องสว่าง แต่จะเปลี่ยนแปลงเฉพาะเมื่อความถี่ของแสงที่ตกกระทบบนโลหะเปลี่ยนแปลงเท่านั้น เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น (เช่น ความถี่ลดลง) พลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะจะลดลง และจากนั้นที่ความยาวคลื่นเฉพาะของโลหะแต่ละชนิด เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะหายไปและไม่ปรากฏแม้ในเวลามาก ความเข้มของแสงสูง ดังนั้น เมื่อส่องสว่างด้วยแสงสีแดงหรือสีส้ม โซเดียมจะไม่แสดงเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก และเริ่มปล่อยอิเล็กตรอนที่ความยาวคลื่นน้อยกว่า 590 นาโนเมตรเท่านั้น (แสงสีเหลือง) ในลิเธียม ตรวจพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคที่ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเดิม โดยเริ่มจาก 516 นาโนเมตร (แสงสีเขียว) และการดีดตัวของอิเล็กตรอนจากแพลตตินัมภายใต้อิทธิพลของแสงที่มองเห็นจะไม่เกิดขึ้นเลยและเริ่มต้นเมื่อแพลตตินัมถูกฉายรังสีอัลตราไวโอเลตเท่านั้น
คุณสมบัติเหล่านี้ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกไม่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์จากมุมมองของทฤษฎีคลื่นคลาสสิกของแสง ตามที่ควรจะกำหนดเอฟเฟกต์ (สำหรับโลหะที่กำหนด) โดยปริมาณพลังงานที่ดูดซับโดยพื้นผิวโลหะต่อหน่วยเวลาเท่านั้น แต่ ไม่ควรขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีที่ตกกระทบบนโลหะ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเดียวกันนี้จะได้รับคำอธิบายที่ง่ายและน่าเชื่อถือหากเราถือว่าการแผ่รังสีประกอบด้วยแต่ละส่วนหรือโฟตอนซึ่งมีพลังงานจำเพาะมาก
ในความเป็นจริง อิเล็กตรอนในโลหะจับกับอะตอมของโลหะ ดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานบางอย่างเพื่อฉีกมันออก หากโฟตอนมีพลังงานตามจำนวนที่ต้องการ (และพลังงานของโฟตอนถูกกำหนดโดยความถี่ของการแผ่รังสี) อิเล็กตรอนจะถูกดีดออกมาและจะสังเกตผลของโฟโตอิเล็กทริก ในกระบวนการโต้ตอบกับโลหะ โฟตอนจะให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนโดยสมบูรณ์ เนื่องจากโฟตอนไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ได้ พลังงานของโฟตอนจะถูกใช้ไปบางส่วนในการทำลายพันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับโลหะ และบางส่วนจะใช้ไปกับการให้พลังงานจลน์ในการเคลื่อนที่แก่อิเล็กตรอน ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกออกจากโลหะจะต้องไม่มากกว่าความแตกต่างระหว่างพลังงานโฟตอนและพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนกับอะตอมของโลหะ ด้วยเหตุนี้ เมื่อจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิวโลหะเพิ่มขึ้นต่อหนึ่งหน่วยเวลา (เช่น ด้วยความเข้มของการส่องสว่างที่เพิ่มขึ้น) จำนวนอิเล็กตรอนที่ขับออกจากโลหะเท่านั้นจึงจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของโฟโตปัจจุบัน แต่พลังงานของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะไม่เพิ่มขึ้น หากพลังงานโฟตอนน้อยกว่าพลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้เพื่อขับอิเล็กตรอนออกมา จะไม่พบเอฟเฟกต์โฟตอนอิเล็กทริกสำหรับโฟตอนที่ตกกระทบบนโลหะจำนวนเท่าใดก็ได้ กล่าวคือ ที่ความเข้มของแสงใดๆ
ทฤษฎีควอนตัมของแสง, ที่พัฒนา ไอน์สไตน์สามารถอธิบายได้ไม่เพียงแต่คุณสมบัติของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูปแบบของการกระทำทางเคมีของแสง การพึ่งพาอุณหภูมิของความจุความร้อนของของแข็ง และปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมาย มีประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล
จากทฤษฎีควอนตัมของแสง โฟตอนไม่สามารถกระจายตัวได้: มันทำปฏิกิริยาโดยรวมกับอิเล็กตรอนของโลหะ และผลักมันออกจากแผ่น โดยรวมแล้วจะมีปฏิกิริยากับสารที่ไวต่อแสงของฟิล์มถ่ายภาพทำให้มืดลง ณ จุดหนึ่ง เป็นต้น ในแง่นี้ โฟตอนจะมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค กล่าวคือ แสดงคุณสมบัติทางร่างกาย อย่างไรก็ตาม โฟตอนก็มีคุณสมบัติเป็นคลื่นเช่นกัน ซึ่งแสดงออกมาในธรรมชาติของคลื่นของการแพร่กระจายของแสง ในความสามารถของโฟตอนในการรบกวนและการเลี้ยวเบน โฟตอนแตกต่างจากอนุภาคในความหมายดั้งเดิมตรงที่ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศได้ เช่นเดียวกับตำแหน่งที่แน่นอนของคลื่นใดๆ แต่มันก็แตกต่างจากคลื่น "คลาสสิก" ตรงที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ได้ ผสมผสานกล้ามเนื้อและ คุณสมบัติของคลื่นพูดอย่างเคร่งครัด โฟตอนไม่ใช่ทั้งอนุภาคหรือคลื่น มีลักษณะเป็นคู่ระหว่างอนุภาคและคลื่น
แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมถูกเสนอโดย E. Rutherford ในปี 1910 เขาได้ทำการศึกษาโครงสร้างของอะตอมเป็นครั้งแรกโดยใช้อนุภาคอัลฟา จากผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองการกระเจิง รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่าประจุบวกทั้งหมดของอะตอมมีความเข้มข้นในนิวเคลียสเล็กๆ ที่อยู่ใจกลางของมัน ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะถูกกระจายไปทั่วปริมาตรที่เหลือ
พื้นหลังเล็กน้อย
การคาดเดาที่ยอดเยี่ยมครั้งแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมนั้นเกิดขึ้นโดย Democritus นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ตั้งแต่นั้นมาความคิดเรื่องการมีอยู่ของอะตอมซึ่งรวมกันทำให้เกิดสสารทั้งหมดรอบตัวเราไม่ได้ละทิ้งจินตนาการของผู้คนในแวดวงวิทยาศาสตร์ ตัวแทนหลายคนติดต่อเธอเป็นระยะ แต่ก่อนหน้านี้ ต้น XIXศตวรรษของการก่อสร้างเป็นเพียงสมมติฐาน ซึ่งไม่ได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลอง
ในที่สุด ในปี 1804 กว่าร้อยปีก่อนที่แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมจะปรากฏขึ้น นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน ได้นำเสนอหลักฐานของการดำรงอยู่ของมัน และแนะนำแนวคิดเรื่องน้ำหนักอะตอม ซึ่งเป็นลักษณะเชิงปริมาณประการแรก เช่นเดียวกับรุ่นก่อนๆ เขาคิดว่าอะตอมเป็นสสารเล็กๆ เหมือนลูกบอลแข็งที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นอนุภาคเล็กๆ ได้
การค้นพบอิเล็กตรอนและแบบจำลองแรกของอะตอม
เกือบหนึ่งศตวรรษผ่านไปในที่สุด ปลาย XIXศตวรรษนี้ ชาวอังกฤษ เจ. เจ. ทอมสันยังได้ค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมตัวแรก ซึ่งก็คืออิเล็กตรอนที่มีประจุลบ เนื่องจากอะตอมมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ทอมสันจึงคิดว่าอะตอมจะต้องประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวก โดยมีอิเล็กตรอนกระจัดกระจายไปทั่วปริมาตร จากผลการทดลองต่างๆ เขาเสนอแบบจำลองอะตอมของเขาในปี พ.ศ. 2441 ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "พลัมในพุดดิ้ง" เพราะมันเป็นตัวแทนของอะตอมว่าเป็นทรงกลมที่เต็มไปด้วยของเหลวที่มีประจุบวกซึ่งมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ในนั้นเหมือน "พลัม" เข้าไป พุดดิ้ง” รัศมีของแบบจำลองทรงกลมดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 10 -8 ซม. ประจุบวกโดยรวมของของเหลวนั้นมีความสมมาตรและสมดุลโดยประจุลบของอิเล็กตรอนดังแสดงในรูปด้านล่าง
แบบจำลองนี้อธิบายข้อเท็จจริงได้อย่างน่าพอใจว่าเมื่อสารได้รับความร้อน สารจะเริ่มเปล่งแสง แม้ว่านี่จะเป็นความพยายามครั้งแรกในการทำความเข้าใจว่าอะตอมคืออะไร แต่ก็ล้มเหลวในการตอบสนองผลลัพธ์ของการทดลองที่ Rutherford และคนอื่นๆ ดำเนินการในภายหลัง ทอมสันตกลงในปี 1911 ว่าแบบจำลองของเขาไม่สามารถตอบได้ว่าการกระเจิงของรังสี α ที่สังเกตได้จากการทดลองเกิดขึ้นได้อย่างไรและทำไม ดังนั้นมันจึงถูกละทิ้งและถูกแทนที่ด้วยแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ขั้นสูงกว่า
อะตอมมีโครงสร้างอย่างไร?
เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด อธิบายปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีที่นำเขามา รางวัลโนเบลอย่างไรก็ตาม การมีส่วนร่วมที่สำคัญที่สุดของเขาในด้านวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นในเวลาต่อมา เมื่อเขาพิสูจน์ได้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนาแน่นที่ล้อมรอบด้วยวงโคจรของอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับที่ดวงอาทิตย์ถูกล้อมรอบด้วยวงโคจรของดาวเคราะห์
ตามแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอม มวลส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเล็กๆ (เทียบกับขนาดของอะตอมทั้งหมด) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสด้วยความเร็วอันน่าเหลือเชื่อ แต่ปริมาตรของอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง
ขนาดของนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากจนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าอะตอมถึง 100,000 เท่า เส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสประเมินโดย Rutherford ไว้ที่ 10 -13 ซม. ตรงกันข้ามกับขนาดของอะตอม - 10 -8 ซม. นอกนิวเคลียสอิเล็กตรอนหมุนรอบมันด้วยความเร็วสูงส่งผลให้แรงเหวี่ยงที่ทำให้สมดุลของไฟฟ้าสถิต แรงดึงดูดระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอน
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2454 หลังจากการทดลองฟอยล์ทองคำอันโด่งดัง ซึ่งทำให้สามารถรับข้อมูลพื้นฐานบางอย่างเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมได้ เส้นทางของรัทเทอร์ฟอร์ดในการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมคือ ตัวอย่างที่ดีบทบาทของความคิดสร้างสรรค์ในทางวิทยาศาสตร์ การค้นหาของเขาเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2442 เมื่อเขาค้นพบว่าองค์ประกอบบางอย่างปล่อยอนุภาคที่มีประจุบวกออกมาซึ่งสามารถทะลุผ่านทุกสิ่งได้ เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าอนุภาคอัลฟา (α) (ตอนนี้เรารู้แล้วว่าพวกมันคือนิวเคลียสฮีเลียม) เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์ที่ดีทุกคน รัทเทอร์ฟอร์ดก็อยากรู้อยากเห็น เขาสงสัยว่าอนุภาคอัลฟ่าสามารถใช้เพื่อเรียนรู้โครงสร้างของอะตอมได้หรือไม่ รัทเทอร์ฟอร์ดตัดสินใจเล็งลำแสงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นฟอยล์สีทองบางมาก เขาเลือกทองคำเพราะมันสามารถทำเป็นแผ่นบางได้ถึง 0.00004 ซม. ด้านหลังแผ่นฟอยล์สีทอง เขาวางฉากที่เรืองแสงเมื่ออนุภาคอัลฟ่ากระทบกับมัน มันถูกใช้เพื่อตรวจจับอนุภาคอัลฟ่าหลังจากที่พวกมันผ่านฟอยล์ ช่องเล็กๆ ในหน้าจอทำให้ลำแสงอนุภาคอัลฟาไปถึงฟอยล์ได้หลังจากออกจากแหล่งกำเนิดแล้ว บางส่วนควรทะลุฟอยล์แล้วเคลื่อนที่ต่อไปในทิศทางเดียวกัน ส่วนอีกส่วนหนึ่งควรเด้งออกจากฟอยล์และสะท้อนเป็นมุมแหลม คุณสามารถดูการออกแบบการทดลองได้ในรูปด้านล่าง
เกิดอะไรขึ้นในการทดลองของรัทเธอร์ฟอร์ด?
จากแบบจำลองอะตอมของ J. J. Thomson รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าบริเวณที่มีประจุบวกต่อเนื่องซึ่งเติมปริมาตรอะตอมของทองคำทั้งหมดจะเบี่ยงเบนหรือทำให้วิถีโคจรของอนุภาคแอลฟาทั้งหมดเคลื่อนผ่านฟอยล์
อย่างไรก็ตาม อนุภาคอัลฟาส่วนใหญ่จะทะลุผ่านแผ่นฟอยล์สีทองโดยตรง ราวกับว่าไม่มีอยู่ตรงนั้น ดูเหมือนพวกเขาจะผ่านพื้นที่ว่าง มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่เบี่ยงเบนไปจากเส้นทางตรงตามที่คาดไว้ในตอนแรก ด้านล่างนี้คือกราฟของจำนวนอนุภาคที่กระจัดกระจายในทิศทางที่สอดคล้องกันเทียบกับมุมการกระเจิง
น่าประหลาดใจที่อนุภาคจำนวนเล็กน้อยกระเด้งกลับจากฟอยล์ เหมือนกับลูกบาสเก็ตบอลที่กระดอนจากพนัก รัทเทอร์ฟอร์ดตระหนักว่าความเบี่ยงเบนเหล่านี้เป็นผลมาจากการชนกันโดยตรงระหว่างอนุภาคแอลฟากับส่วนประกอบที่มีประจุบวกของอะตอม
แกนกลางเป็นศูนย์กลาง
จากเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยของอนุภาคแอลฟาที่สะท้อนจากฟอยล์ เราสามารถสรุปได้ว่าประจุบวกทั้งหมดและมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เล็กๆ แห่งหนึ่ง และส่วนที่เหลือของอะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง รัทเทอร์ฟอร์ด เรียกบริเวณที่มีประจุบวกเข้มข้นว่านิวเคลียส เขาทำนายและค้นพบในไม่ช้าว่ามันมีอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งเขาเรียกว่าโปรตอน รัทเทอร์ฟอร์ดทำนายการมีอยู่ของอนุภาคอะตอมเป็นกลางที่เรียกว่านิวตรอน แต่เขาไม่สามารถตรวจจับพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม นักเรียนของเขา James Chadwick ค้นพบสิ่งเหล่านี้ในอีกไม่กี่ปีต่อมา รูปด้านล่างแสดงโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม
อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนักที่มีประจุบวกซึ่งล้อมรอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่เบามากซึ่งมีประจุลบซึ่งหมุนอยู่รอบ ๆ พวกมันและด้วยความเร็วที่แรงเหวี่ยงเชิงกลเพียงแค่สร้างสมดุลระหว่างแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตกับนิวเคลียสและในเรื่องนี้ตามที่คาดคะเนความเสถียรของอะตอมนั้นมั่นใจได้ .
ข้อเสียของรุ่นนี้
แนวคิดหลักของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องนิวเคลียสของอะตอมขนาดเล็ก ข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นเป็นสมมติฐานล้วนๆ เขาไม่ทราบแน่ชัดว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสที่ไหนและอย่างไร ดังนั้นแบบจำลองดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ดจึงไม่ได้อธิบายการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในวงโคจร
นอกจากนี้ความเสถียรของอะตอมรัทเทอร์ฟอร์ดยังเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องในวงโคจรโดยไม่สูญเสียพลังงานจลน์ แต่การคำนวณทางไฟฟ้าไดนามิกแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวิถีโค้งใด ๆ ที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทิศทางของเวกเตอร์ความเร็วและลักษณะของความเร่งที่สอดคล้องกันนั้นจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกรณีนี้ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนควรใช้ไปกับการแผ่รังสีอย่างรวดเร็ว และพลังงานดังกล่าวควรตกสู่นิวเคลียส ดังแสดงแผนผังในรูปด้านล่าง
แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นเนื่องจากอะตอมเป็นรูปแบบที่เสถียร ความขัดแย้งที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปสำหรับวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นระหว่างแบบจำลองของปรากฏการณ์และข้อมูลการทดลอง
จากรัทเทอร์ฟอร์ดถึงนีลส์ โบห์ร
ก้าวที่ยิ่งใหญ่ต่อไปใน ประวัติอะตอมเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2456 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก นีลส์ บอร์ ได้ตีพิมพ์คำอธิบายเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมที่มีรายละเอียดมากขึ้น มันระบุตำแหน่งที่สามารถระบุตำแหน่งอิเล็กตรอนได้ชัดเจนยิ่งขึ้น แม้ว่าในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์จะพัฒนาการออกแบบอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่โดยพื้นฐานแล้วแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมของบอร์นั้นมีความถูกต้อง และส่วนใหญ่ยังคงเป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน เธอมีมากมาย แอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์เช่น ใช้ในการอธิบายคุณสมบัติต่างๆ องค์ประกอบทางเคมีธรรมชาติของสเปกตรัมของการแผ่รังสีและโครงสร้างของอะตอม แบบจำลองดาวเคราะห์และแบบจำลองบอร์ปรากฏขึ้น เหตุการณ์สำคัญที่สำคัญซึ่งถือเป็นการเกิดขึ้นของทิศทางใหม่ในฟิสิกส์ - ฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ Bohr ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1922 จากผลงานของเขาในการทำความเข้าใจโครงสร้างอะตอม
Bohr นำอะไรใหม่มาสู่แบบจำลองอะตอม?
ขณะที่ยังเป็นชายหนุ่ม Bohr ทำงานในห้องทดลองของ Rutherford ในอังกฤษ เนื่องจากแนวคิดเรื่องอิเล็กตรอนได้รับการพัฒนาไม่ดีในแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด บอร์จึงมุ่งความสนใจไปที่อิเล็กตรอนเหล่านั้น เป็นผลให้แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ สมมุติฐานของบอร์ซึ่งเขาได้กำหนดไว้ในบทความเรื่อง "เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล" ซึ่งตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2456 ระบุว่า:
1. อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสได้ในระยะห่างที่คงที่เท่านั้น โดยพิจารณาจากปริมาณพลังงานที่พวกมันมี เขาเรียกว่าระดับพลังงานคงที่เหล่านี้หรือ เปลือกอิเล็กทรอนิกส์. บอร์จินตนาการว่ามันเป็นทรงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน โดยมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลางของแต่ละทรงกลม ในกรณีนี้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำกว่าจะพบที่ระดับต่ำกว่าใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น ผู้ที่มีพลังงานมากจะพบได้ที่มากขึ้น ระดับสูงเพิ่มเติมจากแกนกลาง
2. หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงานจำนวนหนึ่ง (ค่อนข้างแน่นอนสำหรับระดับที่กำหนด) มันจะกระโดดไปยังระดับพลังงานถัดไปที่สูงกว่า ในทางกลับกัน หากเขาสูญเสียพลังงานในปริมาณเท่าเดิม เขาจะกลับสู่ระดับเดิม อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนไม่สามารถมีอยู่ในระดับพลังงานสองระดับได้
แนวคิดนี้แสดงด้วยภาพวาด
ส่วนพลังงานสำหรับอิเล็กตรอน
แบบจำลองอะตอมของบอร์เป็นการผสมผสานระหว่างสองสิ่งเข้าด้วยกัน ความคิดที่แตกต่าง: แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดที่มีอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียส (โดยพื้นฐานแล้วคือแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ Bohr-Rutherford) และแนวคิดของนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Max Planck ในเรื่องการหาปริมาณพลังงานของสสารตีพิมพ์ในปี 1901 ควอนตัม (พหูพจน์: ควอนตัม) คือปริมาณพลังงานขั้นต่ำที่สารสามารถดูดซับหรือปล่อยออกมาได้ เป็นขั้นตอนหนึ่งของการแบ่งแยกปริมาณพลังงาน
หากเปรียบเทียบพลังงานกับน้ำและคุณต้องการเพิ่มให้กลายเป็นแก้ว คุณจะไม่สามารถเทน้ำลงในกระแสน้ำอย่างต่อเนื่องได้ คุณสามารถเพิ่มในปริมาณเล็กน้อยแทน เช่น ช้อนชา บอร์เชื่อว่าหากอิเล็กตรอนสามารถดูดซับหรือสูญเสียพลังงานในปริมาณคงที่เท่านั้น พวกมันจะต้องเปลี่ยนแปลงพลังงานตามปริมาณคงที่เท่านั้น ดังนั้น พวกมันจึงสามารถครอบครองระดับพลังงานคงที่รอบนิวเคลียสที่สอดคล้องกับพลังงานที่เพิ่มขึ้นในเชิงปริมาณเท่านั้น
ดังนั้น จากแบบจำลองของบอร์จึงได้ขยายแนวทางควอนตัมเพื่ออธิบายว่าโครงสร้างของอะตอมคืออะไร แบบจำลองดาวเคราะห์และแบบจำลอง Bohr เป็นขั้นตอนพิเศษตั้งแต่ฟิสิกส์คลาสสิกไปจนถึงฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งเป็นเครื่องมือหลักในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ ซึ่งรวมถึงฟิสิกส์อะตอมด้วย
ความคิดที่ว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารเกิดขึ้นครั้งแรกในระหว่างนั้น กรีกโบราณ. แต่เฉพาะใน ปลาย XVIIIศตวรรษต้องขอบคุณผลงานของนักวิทยาศาสตร์เช่น A. Lavoisier, M.V. Lomonosov และคนอื่น ๆ อีกมากมายที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าอะตอมมีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม ในสมัยนั้นไม่มีใครสงสัยว่าโครงสร้างภายในของพวกเขาคืออะไร นักวิทยาศาสตร์ยังคงถือว่าอะตอมเป็น "ส่วนประกอบ" ที่แยกไม่ออกซึ่งประกอบขึ้นเป็นสสารทั้งหมด
พยายามอธิบายโครงสร้างของอะตอม
ใครคือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ ความพยายามครั้งแรกในการสร้างแบบจำลองอนุภาคเหล่านี้เป็นของ J. Thomson อย่างไรก็ประสบความสำเร็จใน. ในทุกแง่มุมคำนี้ไม่สามารถใช้อธิบายได้ ทอมสันเชื่อว่าอะตอมเป็นระบบทรงกลมและเป็นกลางทางไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าประจุบวกมีการกระจายเท่าๆ กันตลอดปริมาตรของลูกบอลนี้ และภายในนั้นมีนิวเคลียสที่มีประจุลบ ความพยายามทั้งหมดของนักวิทยาศาสตร์ในการอธิบายโครงสร้างภายในของอะตอมไม่ประสบผลสำเร็จ Ernest Rutherford เป็นผู้เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอมไม่กี่ปีหลังจากที่ Thomson หยิบยกทฤษฎีของเขาขึ้นมา
ประวัติความเป็นมาของการวิจัย
ด้วยการค้นคว้าเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลซิสในปี 1833 ฟาราเดย์สามารถระบุได้ว่ากระแสในสารละลายอิเล็กโทรไลต์คือการไหลของอนุภาคที่มีประจุหรือไอออน จากการศึกษาเหล่านี้ เขาสามารถระบุประจุขั้นต่ำของไอออนได้ นอกจากนี้ D.I. Mendeleev นักเคมีในประเทศยังมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาทิศทางนี้ในวิชาฟิสิกส์ เขาเป็นคนแรกที่ตั้งคำถามในแวดวงวิทยาศาสตร์ว่าอะตอมทั้งหมดสามารถมีลักษณะที่เหมือนกันได้ เราจะเห็นว่าก่อนที่จะเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของรัทเธอร์ฟอร์ดของโครงสร้างของอะตอมเป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ดำเนินการ จำนวนมากการทดลองที่สำคัญไม่น้อย พวกเขาพัฒนาทฤษฎีอะตอมของโครงสร้างของสสาร
การทดลองครั้งแรก
รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจอย่างแท้จริง เพราะการค้นพบของเขาได้ปฏิวัติความเข้าใจในโครงสร้างของสสาร ในปีพ. ศ. 2454 เขาสามารถสร้างการทดลองได้ด้วยความช่วยเหลือซึ่งนักวิจัยสามารถมองเข้าไปในส่วนลึกอันลึกลับของอะตอมและเข้าใจว่าโครงสร้างภายในของมันคืออะไร อย่างไรก็ตาม การทดลองครั้งแรกดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์โดยได้รับการสนับสนุนจากนักวิจัยคนอื่นๆ บทบาทหลักในช่องเปิดยังคงเป็นของรัทเทอร์ฟอร์ด
การทดลอง
ด้วยการใช้แหล่งกำเนิดรังสีกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถสร้างปืนใหญ่ที่ปล่อยกระแสอนุภาคแอลฟาออกมาได้ มันเป็นกล่องที่ทำจากตะกั่ว ภายในมีสารกัมมันตภาพรังสีอยู่ มีช่องในปืนที่อนุญาตให้อนุภาคอัลฟ่าทั้งหมดชนกับตะแกรงตะกั่ว พวกมันสามารถบินออกไปทางช่องเท่านั้น ในเส้นทางของลำแสงอนุภาคกัมมันตรังสีนี้มีหน้าจออีกหลายช่อง
พวกเขาแยกอนุภาคที่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ โจมตีเป้าหมายที่มุ่งเป้าไว้อย่างเข้มงวด Rutherford ใช้แผ่นฟอยล์สีทองบางๆ เป็นเป้าหมาย เมื่ออนุภาคกระทบแผ่นนี้ พวกมันยังคงเคลื่อนที่ต่อไปและชนกับฉากฟลูออเรสเซนต์ที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังเป้าหมายนี้ในที่สุด เมื่ออนุภาคอัลฟากระทบหน้าจอนี้ แสงวาบจะถูกบันทึก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถตัดสินได้ว่ามีอนุภาคที่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมเมื่อชนกับฟอยล์จำนวนเท่าใด และขนาดของความเบี่ยงเบนนี้มีค่าเท่าใด
ความแตกต่างจากการทดลองครั้งก่อน
เด็กนักเรียนและนักเรียนที่สนใจว่าใครเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอมควรรู้: มีการทดลองที่คล้ายกันในวิชาฟิสิกส์ก่อนรัทเธอร์ฟอร์ด แนวคิดหลักของพวกเขาคือการรวบรวมข้อมูลให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมจากการเบี่ยงเบนของอนุภาคจากวิถีโคจรดั้งเดิม การศึกษาทั้งหมดนี้นำไปสู่การสะสมข้อมูลทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งและกระตุ้นให้เกิดความคิด โครงสร้างภายในอนุภาคที่เล็กที่สุด
เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วว่าอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ แต่ในหมู่นักวิจัยส่วนใหญ่ ความคิดเห็นที่แพร่หลายก็คือภายในอะตอมนั้นเหมือนกับตารางที่เต็มไปด้วยอนุภาคที่มีประจุลบมากกว่า ประสบการณ์ที่คล้ายกันทำให้สามารถรับข้อมูลได้มากมาย เช่น การกำหนดมิติทางเรขาคณิตของอะตอม
เดาเก่ง
รัทเทอร์ฟอร์ดสังเกตเห็นว่าไม่มีคนรุ่นก่อนๆ ของเขาคนใดเคยพยายามที่จะตัดสินว่าอนุภาคอัลฟาสามารถเบี่ยงเบนไปจากมุมที่กว้างมากจากวิถีของมันได้หรือไม่ แบบจำลองก่อนหน้านี้บางครั้งเรียกว่า "พุดดิ้งลูกเกด" ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ (เพราะตามแบบจำลองนี้ อิเล็กตรอนในอะตอมมีการกระจายเหมือนลูกเกดในพุดดิ้ง) ไม่อนุญาตให้มีส่วนประกอบหนาแน่นของโครงสร้างภายในอะตอม ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดใส่ใจที่จะพิจารณาทางเลือกนี้ด้วยซ้ำ นักวิจัยขอให้นักเรียนติดตั้งการติดตั้งใหม่ในลักษณะที่มีการบันทึกการเบี่ยงเบนขนาดใหญ่ของอนุภาคจากวิถีโคจร - เพียงเพื่อไม่รวมความเป็นไปได้นี้ ลองนึกภาพความประหลาดใจของทั้งนักวิทยาศาสตร์และนักเรียนของเขาเมื่อปรากฎว่ามีอนุภาคบางส่วนกระจัดกระจายในมุม 180 องศา
มีอะไรอยู่ภายในอะตอม?
เราพบว่าใครเสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างของอะตอมและประสบการณ์ของนักวิทยาศาสตร์คนนี้คืออะไร ในเวลานั้น การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดถือเป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง เขาถูกบังคับให้สรุปว่าภายในอะตอม มวลส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในสสารที่มีความหนาแน่นมาก โครงการ แบบจำลองนิวเคลียร์โครงสร้างของอะตอมนั้นง่ายมาก: ภายในมีนิวเคลียสที่มีประจุบวก
อนุภาคอื่นๆ ที่เรียกว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสนี้ ที่เหลือก็มีความหนาแน่นน้อยกว่าหลายเท่า การจัดเรียงอิเล็กตรอนภายในอะตอมไม่วุ่นวาย - อนุภาคถูกจัดเรียงตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น นักวิจัยเรียกส่วนภายในของนิวเคลียสของอะตอม ชื่อที่นักวิทยาศาสตร์แนะนำยังคงใช้ในทางวิทยาศาสตร์จนถึงทุกวันนี้
ต้องเตรียมตัวอย่างไรสำหรับบทเรียน?
เด็กนักเรียนที่สนใจแนะนำแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอมสามารถนำมาแสดงในชั้นเรียนได้ ความรู้เพิ่มเติม. ตัวอย่างเช่น คุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่ Rutherford หลังจากการทดลองของเขาชอบที่จะเปรียบเทียบการค้นพบของเขา ปืนสำหรับกลุ่มกบฏกำลังถูกลักลอบเข้าไปในประเทศทางตอนใต้ของทวีปแอฟริกา ซึ่งบรรจุอยู่ในกองฝ้าย เจ้าหน้าที่ศุลกากรจะระบุได้อย่างไรว่าสิ่งของอันตรายนั้นอยู่ที่ใด หากรถไฟเต็มไปด้วยก้อนเหล่านี้ เจ้าหน้าที่ศุลกากรอาจเริ่มยิงไปที่มัดฟาง และจุดที่กระสุนจะแฉลบคือตำแหน่งของอาวุธ รัทเทอร์ฟอร์ดเน้นย้ำว่านี่คือวิธีการค้นพบของเขาอย่างแน่นอน
สำหรับเด็กนักเรียนที่กำลังเตรียมตอบหัวข้อนี้ในชั้นเรียนแนะนำให้เตรียมคำตอบสำหรับคำถามต่อไปนี้:
1. ใครเป็นผู้เสนอแบบจำลองนิวเคลียร์ของโครงสร้างอะตอม?
2. จุดประสงค์ของการทดลองคืออะไร?
3. ข้อแตกต่างระหว่างโมเดลนิวเคลียร์กับโมเดลอื่นๆ
ความสำคัญของทฤษฎีของรัทเทอร์ฟอร์ด
ข้อสรุปที่รุนแรงที่รัทเทอร์ฟอร์ดได้จากการทดลองของเขาทำให้คนรุ่นราวคราวเดียวกันหลายคนสงสัยความจริงของแบบจำลองนี้ แม้แต่รัทเทอร์ฟอร์ดเองก็ไม่มีข้อยกเว้น - เขาตีพิมพ์ผลการวิจัยของเขาเพียงสองปีหลังจากการค้นพบ โดยยึดแนวคิดคลาสสิกว่าอนุภาคขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างไร เขาเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมของดาวเคราะห์นิวเคลียร์ โดยรวมแล้วอะตอมมีประจุเป็นกลาง อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์หมุนรอบดวงอาทิตย์ การเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นเนื่องจากแรงคูลอมบ์ ในขณะนี้ แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดได้รับการปรับเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญ แต่การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สูญเสียความเกี่ยวข้องในปัจจุบัน
ข้อมูลแรกเกี่ยวกับคอมเพล็กซ์ โครงสร้างอะตอมได้มาจากการศึกษากระบวนการทางผ่าน กระแสไฟฟ้าผ่านของเหลว ในทศวรรษที่สามสิบของศตวรรษที่ XIX การทดลองของนักฟิสิกส์ผู้โดดเด่น เอ็ม. ฟาราเดย์ เสนอว่าไฟฟ้ามีอยู่ในรูปของประจุแยกหน่วย
การค้นพบการสลายตัวตามธรรมชาติของอะตอมขององค์ประกอบบางชนิดที่เรียกว่ากัมมันตภาพรังสีกลายเป็นหลักฐานโดยตรงของความซับซ้อนของโครงสร้างของอะตอม ในปี 1902 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Ernest Rutherford และ Frederick Soddy พิสูจน์ว่าในระหว่างการสลายกัมมันตภาพรังสี อะตอมยูเรเนียมจะกลายเป็นสองอะตอม - อะตอมทอเรียมและอะตอมฮีเลียม ซึ่งหมายความว่าอะตอมไม่ใช่อนุภาคที่ไม่เปลี่ยนรูปและไม่สามารถทำลายได้
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
ด้วยการศึกษาการผ่านของลำอนุภาคแอลฟาแคบๆ ผ่านชั้นบางๆ ของสสาร รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผ่นฟอยล์โลหะที่ประกอบด้วยอะตอมหลายพันชั้นโดยไม่เบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิม โดยไม่ประสบกับการกระเจิงราวกับว่ามี ไม่มีวัตถุขวางทางไม่มีอุปสรรค อย่างไรก็ตาม อนุภาคบางส่วนถูกเบี่ยงเบนไปในมุมที่กว้าง และประสบกับการกระทำของแรงขนาดใหญ่
จากผลการทดลองสังเกตการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาในสสาร รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองดาวเคราะห์ของโครงสร้างของอะตอมตามรุ่นนี้ โครงสร้างของอะตอมนั้นคล้ายคลึงกับโครงสร้างของระบบสุริยะที่ใจกลางของทุกๆ อะตอมจะมีอยู่ นิวเคลียสที่มีประจุบวกรัศมี 10 -10 เมตร เหมือนกับวงโคจรของดาวเคราะห์ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบมวลเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม อนุภาคอัลฟ่าสามารถผ่านอะตอมหลายพันชั้นได้โดยไม่กระเจิง เนื่องจากพื้นที่ส่วนใหญ่ภายในอะตอมว่างเปล่า และการชนกับอิเล็กตรอนแบบเบามีผลเพียงเล็กน้อยต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคอัลฟ่าที่หนัก อนุภาคอัลฟ่ากระจัดกระจายระหว่างการชนกับนิวเคลียสของอะตอม
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของอะตอมได้
ตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก อะตอมจากนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่มีประจุบวกซึ่งหมุนรอบวงโคจรเป็นวงกลมควรปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา การปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรส่งผลให้พลังงานสำรองศักย์ในระบบนิวเคลียส-อิเล็กตรอนลดลง ส่งผลให้รัศมีวงโคจรของอิเล็กตรอนลดลงทีละน้อย และอิเล็กตรอนตกลงสู่นิวเคลียส อย่างไรก็ตาม อะตอมมักจะไม่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนไม่ตกบนนิวเคลียสของอะตอม กล่าวคือ อะตอมมีความเสถียร
สมมุติฐานควอนตัมของ N. Bohr
เพื่ออธิบายความเสถียรของอะตอม นีลส์ บอร์เสนอให้ละทิ้งแนวคิดและกฎหมายคลาสสิกตามปกติเมื่ออธิบายคุณสมบัติของอะตอม
คุณสมบัติพื้นฐานของอะตอมจะได้รับคำอธิบายเชิงคุณภาพที่สอดคล้องกันโดยพิจารณาจากการยอมรับ สมมุติฐานควอนตัมของ N. Bohr
1. อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสในวงโคจรวงกลมที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด (คงที่) เท่านั้น
2. ระบบอะตอมสามารถอยู่ในสถานะนิ่งหรือควอนตัมบางสถานะเท่านั้น ซึ่งแต่ละสถานะจะสอดคล้องกับพลังงาน E ที่แน่นอน อะตอมจะไม่ปล่อยพลังงานในสถานะหยุดนิ่ง
สถานะคงที่ของอะตอมโดยมีพลังงานสำรองน้อยที่สุดเรียกว่า สภาพพื้นฐานรัฐอื่นๆ ทั้งหมดเรียกว่า สถานะตื่นเต้น (ควอนตัม)อะตอมสามารถคงอยู่ในสถานะพื้นได้นานไม่จำกัด อายุการใช้งานของอะตอมในสถานะตื่นเต้นจะอยู่ที่ 10 -9 -10 -7 วินาที
3. การปล่อยหรือการดูดกลืนพลังงานจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออะตอมเปลี่ยนจากสถานะนิ่งหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง พลังงานของควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะคงที่ด้วยพลังงาน อี มเข้าสู่สภาวะแห่งพลังงาน เอ็นเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานของอะตอมในสถานะควอนตัมสองสถานะ:
∆E = E ม. – E n = hv,
ที่ไหน โวลต์– ความถี่การแผ่รังสี ชม.= 2ph = 6.62 ∙ 10 -34 J ∙s
แบบจำลองควอนตัมของโครงสร้างอะตอม
ต่อจากนั้น บทบัญญัติบางประการของทฤษฎีของ N. Bohr ได้รับการเสริมและทบทวนใหม่ การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดคือการแนะนำแนวคิดเกี่ยวกับเมฆอิเล็กตรอน ซึ่งแทนที่แนวคิดเรื่องอิเล็กตรอนเพียงเป็นอนุภาคเท่านั้น ทฤษฎีของบอร์ถูกแทนที่ด้วยในเวลาต่อมา ทฤษฎีควอนตัมซึ่งคำนึงถึงคุณสมบัติคลื่นของอิเล็กตรอนและอื่นๆ อนุภาคมูลฐาน, ก่อตัวเป็นอะตอม
พื้นฐาน ทฤษฎีสมัยใหม่โครงสร้างอะตอมเป็นแบบจำลองดาวเคราะห์ที่เสริมและปรับปรุง ตามทฤษฎีนี้ นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน (อนุภาคที่มีประจุบวก) และเซลล์ประสาท (อนุภาคที่ไม่มีประจุ) และรอบๆ นิวเคลียสอิเล็กตรอน (อนุภาคที่มีประจุลบ) จะเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่ไม่แน่นอน
ยังมีคำถามอยู่ใช่ไหม? ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองโครงสร้างอะตอมหรือไม่
หากต้องการความช่วยเหลือจากครูสอนพิเศษ ให้ลงทะเบียน
บทเรียนแรกฟรี!
เว็บไซต์ เมื่อคัดลอกเนื้อหาทั้งหมดหรือบางส่วน จำเป็นต้องมีลิงก์ไปยังแหล่งที่มา
