MODELUL ATOMIC AL LUI RUTHERFORD: ISTORIE, EXPERIMENTE, POSTULATE - FIZIC - 2025

Modelul atomic de la Rutherford este descrierea atomului creat de fizicianul britanic Ernest Rutherford (1871-1937) descoperit în 1911 când nucleul atomic prin celebrele experimente de împrăștiere care le poartă numele.

Ideea atomului („indivizibil” în limba greacă) ca fiind cea mai mică componentă a materiei, a fost o creație intelectuală născută în Grecia Antică, în jurul anului 300 î.Hr. La fel de multe alte concepte grecești, conceptul de atom este dezvoltat pe baza logică și argumentare, dar nu și experimentare.

Modelul atomic al lui Rutherford

Cei mai notabili filosofi atomisti au fost Democritul Abdera (460 - 360 î.e.n.), Epicurul lui Samos (341 - 270 î.Hr.) și Titus Lucretius (98 - 54 î.Hr.). Grecii au conceput patru tipuri diferite de atomi care corespundeau celor patru elemente care, conform lor, alcătuiau materia: aerul, apa, pământul și focul.

Mai târziu, Aristotel va adăuga un al cincilea element: eterul care a format stelele, deoarece celelalte patru elemente erau pur terestre.

Cuceririle lui Alexandru cel Mare, al cărui profesor era Aristotel, și-au extins credințele în întreaga lume antică, din Spania până în India și astfel, timp de secole, ideea atomului și-a creat propriul loc în lumea științei.

Atomul nu mai este indivizibil

Ideile filosofilor greci despre structura materiei s-au menținut adevărate timp de sute de ani, până când un chimist englez și profesor de școală pe nume John Dalton (1776-1844) a publicat rezultatele experimentelor sale în 1808.

Dalton a fost de acord că elementele sunt formate din particule extrem de mici, numite atomi. Dar el a mers mai departe afirmând că toți atomii aceluiași element sunt egali, au aceeași dimensiune, aceeași masă și aceleași proprietăți chimice, ceea ce îi face să rămână neschimbați în timpul unei reacții chimice.

Acesta este primul model atomic bazat științific. La fel ca grecii, Dalton considera încă atomul ca fiind indivizibil, deci lipsit de structură. Cu toate acestea, geniul lui Dalton l-a determinat să observe unul dintre marile principii de conservare a fizicii:

• În reacțiile chimice, atomii nu sunt nici creați, nici distruși, ci doar își schimbă distribuția.

Și el a stabilit modul în care compușii chimici sunt formați prin „atomii compuși” (molecule):

• Când doi sau mai mulți atomi de elemente diferite se combină pentru a forma același compus, ei fac acest lucru întotdeauna în proporții de masă definite și constante.

Secolul al XIX-lea a fost marele secol al energiei electrice și al magnetismului. La câțiva ani după publicațiile lui Dalton, rezultatele unor experimente pun la îndoială oamenilor de știință despre indivizibilitatea atomului.

Tubul Crookes

Tubul Crookes a fost un dispozitiv proiectat de chimistul și meteorologul britanic William Crookes (1832-1919). Experimentul pe care Crookes l-a efectuat în 1875 a constat în plasarea, în interiorul unui tub umplut cu gaz la presiune joasă, a doi electrozi, unul numit catod, iar celălalt numit anod.

Stabilind o diferență de potențial între cei doi electrozi, gazul strălucea cu o culoare caracteristică gazului utilizat. Acest fapt a sugerat că există o anumită organizare particulară în interiorul atomului și, prin urmare, nu era indivizibil.

Mai mult, această radiație a produs o fluorescență slabă pe peretele tubului de sticlă din fața catodului, decupând umbra unui marcaj în formă de cruce situat în interiorul tubului.

A fost o radiație misterioasă cunoscută sub numele de „raze catodice”, care a călătorit în linie dreaptă către anod și a fost puternic energică, capabilă să producă efecte mecanice și a fost deviată spre o placă încărcată pozitiv sau, de asemenea, de magneți.

Descoperirea electronului

Radiația din interiorul tubului Crookes nu a putut fi valuri, deoarece a încărcat negativ. Joseph John Thomson (1856 - 1940) a dat răspunsul în 1887, când a găsit relația dintre încărcarea și masa acestei radiații și a descoperit că este întotdeauna aceeași: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Indiferent de gaz închis în tub sau materialul utilizat pentru fabricarea catodului.

Thomson a numit aceste particule corpuscule. Prin măsurarea masei sale în raport cu sarcina sa electrică, el a ajuns la concluzia că fiecare corpuscul era mult mai mic decât un atom. Prin urmare, el a sugerat să fie parte a acestora, descoperind astfel electronul.

Savantul britanic a fost primul care a schițat un model grafic al atomului, desenând o sferă cu puncte inserate, căreia, datorită formei sale, i s-a dat porecla de „budincă de prune”. Dar această descoperire a ridicat alte întrebări:

• Dacă materia este neutră, iar electronul are o sarcină negativă: unde în atom se află sarcina pozitivă care neutralizează electronii?
• Dacă masa electronului este mai mică decât cea a atomului, atunci în ce constă restul atomului?
• De ce particulele au fost astfel obținute întotdeauna electroni și niciodată de alt tip?

Experimente de împrăștiere de Rutherford: nucleul atomic și proton

Până în 1898, Rutherford a identificat două tipuri de radiații din uraniu, pe care le-a numit alfa și beta.

Radiactivitatea naturală a fost deja descoperită de Marie Curie în 1896. Particulele alfa sunt încărcate pozitiv și sunt pur și simplu nuclee de heliu, dar în acel moment nu era încă cunoscut conceptul de nucleu. Rutherford urma să afle.

Unul dintre experimentele efectuate de Rutherford în 1911 la Universitatea din Manchester, cu asistența lui Hans Geiger, a constat în bombardarea unei folii de aur fin cu particule alfa, a căror încărcare este pozitivă. În jurul foliei de aur, a așezat un ecran fluorescent care le-a permis să vizualizeze efectele bombardamentului.

observaţii

Studiind impactul pe ecranul fluorescent, Rutherford și asistenții săi au observat că:

1. Un procent foarte mare de particule alfa a trecut prin foaie fără o deviere vizibilă.
2. Unii au deviat în unghiuri destul de abrupte
3. Și foarte puțini au sărit înapoi

Experimente de împrăștiere a Rutherford. Sursă: .

Observațiile 2 și 3 i-au surprins pe cercetători și i-au determinat să presupună că persoana responsabilă de împrăștierea razelor trebuie să aibă o încărcare pozitivă și că, în virtutea observației numărul 1, acea persoană responsabilă era mult mai mică decât cea a particulelor alfa. .

Rutherford însuși a spus despre asta că este „… ca și cum ai trage un proiectil naval de 15 inci la o foaie de hârtie, iar proiectilul s-a întors și te-a lovit." Cu siguranță acest lucru nu a putut fi explicat de modelul Thompson.

Analizând rezultatele sale din punct de vedere clasic, Rutherford descoperise existența nucleului atomic, unde se concentra încărcarea pozitivă a atomului, ceea ce îi dădea neutralitatea.

Rutherford a continuat experimentele sale de împrăștiere. Până în 1918, noua țintă pentru particulele alfa erau atomii de gaz de azot.

În acest fel, el a detectat nuclee de hidrogen și a știut imediat că singurul loc din care ar putea veni acești nuclei era din azot în sine. Cum a fost posibil ca nucleele de hidrogen să facă parte din azot?

Rutherford a sugerat apoi că nucleul de hidrogen, element care i-a fost deja atribuit numărul atomic 1, trebuie să fie o particulă fundamentală. L-a numit proton, cuvânt grecesc pentru început. Astfel, descoperirile nucleului atomic și ale protonului se datorează acestui strălucit noul Zealander.

Modelul atomic al lui Rutherford postulează

Noul model era foarte diferit de cel de la Thompson. Acestea au fost postulatele sale:

• Atomul conține un nucleu încărcat pozitiv, care, deși este foarte mic, conține aproape toată masa atomului.
• Electronii orbitează nucleul atomic la distanțe mari și pe orbitele circulare sau eliptice.
• Sarcina netă a atomului este zero, deoarece sarcinile electronilor compensează sarcina pozitivă prezentă în nucleu.

Calculele lui Rutherford au indicat un nucleu cu o formă sferică și o rază cât mai mică de 10 ^-15 m, valoarea razei atomice fiind de aproximativ 100.000 de ori mai mare, deoarece nucleele sunt relativ depărtate: de ordinul ^10-10. m.

Tânărul Ernest Rutherford. Sursa: Necunoscut, publicat în 1939 în Rutherford: fiind viața și scrisorile domnului domn Rt. Lord Rutherford, O. M

Așa se explică de ce majoritatea particulelor alfa au trecut prin foaie fără probleme sau au avut doar foarte puține deviații.

Văzut la scara obiectelor de zi cu zi, atomul Rutherford ar fi compus dintr-un nucleu de dimensiunea unui baseball, în timp ce raza atomică ar fi de aproximativ 8 km. Prin urmare, atomul poate fi considerat aproape totul ca spațiu gol.

Datorită asemănării sale cu un sistem solar în miniatură, a devenit cunoscut sub numele de „modelul planetar al atomului”. Forța de atracție electrostatică dintre nucleu și electroni ar fi analogă cu atracția gravitațională dintre soare și planete.

limitări

Cu toate acestea, au existat anumite dezacorduri cu privire la unele fapte observate:

• Dacă se acceptă ideea că electronul orbitează în jurul nucleului, se întâmplă ca electronul să emită continuu radiații până când se ciocnește cu nucleul, cu consecința distrugerii atomului în mult sub o secundă. Acest lucru, din fericire, nu este ceea ce se întâmplă de fapt.
• Mai mult, în anumite ocazii, atomul emite anumite frecvențe de radiații electromagnetice atunci când există tranziții între o stare de energie mai mare la una cu energie mai mică, și numai acele frecvențe, nu altele. Cum se explică faptul că energia este cuantificată?

În ciuda acestor limitări, deoarece astăzi există modele mult mai sofisticate în conformitate cu faptele observate, modelul atomic al lui Rutherford este încă util pentru student să aibă o primă abordare de succes a atomului și a particulelor sale constitutive.

În acest model al atomului, neutronul nu apare, un alt component al nucleului, care nu a fost descoperit până în 1932.

La scurt timp după ce Rutherford a propus modelul său planetar, în 1913, fizicianul danez Niels Bohr avea să îl modifice pentru a explica de ce atomul nu este distrus și suntem încă aici pentru a spune această poveste.

Articole de interes

Modelul atomic al lui Schrödinger.

Model atomic De Broglie.

Modelul atomic al lui Chadwick.

Model atomic Heisenberg.

Modelul atomic al lui Perrin.

Modelul atomic al lui Thomson.

Model atomic Dirac Jordan.

Modelul atomic al lui Democrit.

Modelul atomic al lui Bohr.

Modelul atomic al lui Dalton.

Referințe

1. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Note de clasă pentru catedra de Radiobiologie și Protecție Radiologică. Școala de Sănătate Publică a Universității Centrale din Venezuela.