Odkrycia w dziedzinie budowy atomu stały się ważnym krokiem w rozwoju fizyki. Model Rutherforda miał ogromne znaczenie. Atom jako układ i tworzące go cząstki zostały zbadane dokładniej i szczegółowo. Doprowadziło to do pomyślnego rozwoju takiej nauki, jak fizyka jądrowa.
Starożytne idee dotyczące struktury materii
Założenie, że otaczające ciała składają się z najmniejszych cząstek, powstało w czasach starożytnych. Myśliciele tamtych czasów przedstawiali atom jako najmniejszą i niepodzielną cząstkę jakiejkolwiek substancji. Twierdzili, że we wszechświecie nie ma nic mniejszego niż atom. Takie poglądy mieli wielcy starożytni greccy naukowcy i filozofowie - Demokryt, Lukrecjusz, Epikur. Hipotezy tych myślicieli są dziś zjednoczone pod nazwą „starożytny atomizm”.
Występy średniowieczne
Czasy starożytności minęły, a w średniowieczu byli też naukowcy, którzy przyjmowali różne założenia dotyczące budowy substancji. Jednak u podstaw leży przewaga poglądów religijno-filozoficznych i władza Kościoła w tym okresie dziejówtłumił wszelkie próby i aspiracje ludzkiego umysłu do materialistycznych naukowych wniosków i odkryć. Jak wiecie, średniowieczna Inkwizycja zachowywała się bardzo nieprzyjaźnie wobec przedstawicieli ówczesnego świata naukowego. Pozostaje powiedzieć, że ówczesne bystre umysły wpadły na pomysł wywodzący się ze starożytności o niepodzielności atomu.
Studia XVIII-XIX wieku
Wiek XVIII był naznaczony poważnymi odkryciami w dziedzinie elementarnej budowy materii. W dużej mierze dzięki staraniom takich naukowców jak Antoine Lavoisier, Michaił Łomonosow i John D alton. Niezależnie od siebie byli w stanie udowodnić, że atomy naprawdę istnieją. Ale kwestia ich wewnętrznej struktury pozostała otwarta. Koniec XVIII wieku upłynął pod znakiem tak znaczącego wydarzenia w świecie naukowym, jak odkrycie układu okresowego pierwiastków chemicznych przez D. I. Mendelejewa. To był naprawdę potężny przełom tamtych czasów i podniósł zasłonę nad zrozumieniem, że wszystkie atomy mają jedną naturę, że są ze sobą powiązane. Później, w XIX wieku, kolejnym ważnym krokiem w kierunku rozwikłania struktury atomu był dowód, że którykolwiek z nich zawiera elektron. Praca naukowców tego okresu przygotowała podatny grunt pod odkrycia XX wieku.
Eksperymenty Thomsona
Angielski fizyk John Thomson udowodnił w 1897 roku, że atomy zawierają elektrony z ładunkiem ujemnym. Na tym etapie ostatecznie zniszczono fałszywe wyobrażenia, że atom jest granicą podzielności jakiejkolwiek substancji. JakThomson był w stanie udowodnić istnienie elektronów? W swoich eksperymentach naukowiec umieszczał elektrody w silnie rozrzedzonych gazach i przepuszczał prąd elektryczny. Rezultatem były promienie katodowe. Thomson dokładnie przestudiował ich cechy i odkrył, że są strumieniem naładowanych cząstek, które poruszają się z dużą prędkością. Naukowiec był w stanie obliczyć masę tych cząstek i ich ładunek. Odkrył również, że nie można ich przekształcić w cząstki obojętne, ponieważ ładunek elektryczny jest podstawą ich natury. Tak odkryto elektrony. Thomson jest także twórcą pierwszego na świecie modelu budowy atomu. Zgodnie z nią atom to wiązka dodatnio naładowanej materii, w której ujemnie naładowane elektrony są równomiernie rozmieszczone. Ta struktura wyjaśnia ogólną neutralność atomów, ponieważ przeciwne ładunki równoważą się. Eksperymenty Johna Thomsona stały się nieocenione dla dalszych badań struktury atomu. Jednak wiele pytań pozostało bez odpowiedzi.
Rutherford Research
Thomson odkrył istnienie elektronów, ale nie udało mu się znaleźć dodatnio naładowanych cząstek w atomie. Ernest Rutherford poprawił to nieporozumienie w 1911 roku. Podczas eksperymentów, badając aktywność cząstek alfa w gazach, odkrył, że w atomie znajdują się cząstki naładowane dodatnio. Rutherford zauważył, że kiedy promienie przechodzą przez gaz lub cienką metalową płytkę, niewielka liczba cząstek ostro odchyla się od trajektorii ruchu. Zostały dosłownie odrzucone. Naukowiec domyślił się, żeto zachowanie tłumaczy się zderzeniem z dodatnio naładowanymi cząstkami. Takie eksperymenty pozwoliły fizykowi stworzyć model budowy atomu Rutherforda.
Model planetarny
Teraz pomysły naukowca różniły się nieco od założeń Johna Thomsona. Ich modele atomów również się zmieniły. Doświadczenie Rutherforda pozwoliło mu stworzyć zupełnie nową teorię w tej dziedzinie. Odkrycia naukowca miały decydujące znaczenie dla dalszego rozwoju fizyki. Model Rutherforda opisuje atom jako jądro znajdujące się w centrum i poruszające się wokół niego elektrony. Jądro ma ładunek dodatni, a elektrony ładunek ujemny. Model atomu Rutherforda zakładał rotację elektronów wokół jądra po określonych trajektoriach - orbitach. Odkrycie naukowca pomogło wyjaśnić przyczynę odchylenia cząstek alfa i stało się impulsem do rozwoju jądrowej teorii atomu. W modelu atomu Rutherforda istnieje analogia z ruchem planet Układu Słonecznego wokół Słońca. To bardzo dokładne i żywe porównanie. Dlatego model Rutherforda, w którym atom porusza się po orbicie wokół jądra, nazwano planetarnym.
Prace Nielsa Bohra
Dwa lata później duński fizyk Niels Bohr próbował połączyć idee dotyczące budowy atomu z kwantowymi właściwościami strumienia świetlnego. Jądrowy model atomu Rutherforda został przedstawiony przez naukowca jako podstawa jego nowej teorii. Według Bohra atomy krążą wokół jądra po orbitach kołowych. Taka trajektoria ruchu prowadzi do przyspieszeniaelektrony. Ponadto oddziaływaniu kulombowskim tych cząstek ze środkiem atomu towarzyszy tworzenie i zużycie energii w celu utrzymania przestrzennego pola elektromagnetycznego powstałego w wyniku ruchu elektronów. W takich warunkach ujemnie naładowane cząstki muszą kiedyś spaść na jądro. Ale tak się nie dzieje, co wskazuje na większą stabilność atomów jako układów. Niels Bohr zdał sobie sprawę, że prawa termodynamiki klasycznej opisane równaniami Maxwella nie działają w warunkach wewnątrzatomowych. Dlatego naukowiec postawił sobie za zadanie wyprowadzenie nowych wzorców, które obowiązywałyby w świecie cząstek elementarnych.
postulaty Bohra
W dużej mierze dzięki temu, że istniał model Rutherforda, atom i jego składniki zostały dobrze zbadane, Niels Bohr mógł podejść do stworzenia swoich postulatów. Pierwsza z nich mówi, że atom ma stany stacjonarne, w których nie zmienia swojej energii, a elektrony poruszają się po orbitach nie zmieniając swojej trajektorii. Zgodnie z drugim postulatem, kiedy elektron przemieszcza się z jednej orbity na drugą, energia jest uwalniana lub pochłaniana. Jest równa różnicy między energiami poprzedniego i kolejnych stanów atomu. W tym przypadku, jeśli elektron przeskakuje na orbitę bliżej jądra, emitowana jest energia (foton) i odwrotnie. Pomimo tego, że ruch elektronów w niewielkim stopniu przypomina trajektorię orbitalną znajdującą się stricte w okręgu, odkrycie Bohra dostarczyło doskonałego wyjaśnienia istnienia reguły rządzonej.widmo atomu wodoru. Mniej więcej w tym samym czasie żyjący w Niemczech fizycy Hertz i Frank potwierdzili nauki Nielsa Bohra o istnieniu stacjonarnych, stabilnych stanów atomu i możliwości zmiany wartości energii atomowej.
Współpraca dwóch naukowców
Nawiasem mówiąc, Rutherford przez długi czas nie mógł określić ładunku jądra. Naukowcy Marsden i Geiger próbowali ponownie sprawdzić twierdzenia Ernesta Rutherforda i w wyniku szczegółowych i starannych eksperymentów i obliczeń doszli do wniosku, że to jądro jest najważniejszą cechą atomu i całego jego ładunku. jest w nim skoncentrowany. Później udowodniono, że wartość ładunku jądra jest liczbowo równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków D. I. Mendelejewa. Co ciekawe, Niels Bohr wkrótce spotkał Rutherforda i całkowicie zgodził się z jego poglądami. Następnie naukowcy przez długi czas pracowali razem w tym samym laboratorium. Model Rutherforda, atom jako układ składający się z elementarnych cząstek naładowanych - wszystko to Niels Bohr uważał za sprawiedliwy i na zawsze odłożył na bok swój model elektroniczny. Wspólna działalność naukowa naukowców była bardzo udana i zaowocowała. Każdy z nich zagłębił się w badanie właściwości cząstek elementarnych i dokonał znaczących odkryć dla nauki. Rutherford później odkrył i udowodnił możliwość rozkładu jądrowego, ale to temat na inny artykuł.
