RUTHERFORDŮV ATOMOVÝ MODEL: HISTORIE, EXPERIMENTY, POSTULÁTY - FYZICKÝ - 2025

Rutherford atomová Model je popis atomu vytvořil britský fyzik Ernest Rutherford (1871-1937) objevil v roce 1911, kdy se atomové jádro podle známých rozptylových experimentů, které berou své jméno.

Myšlenka atomu („nedělitelná“ v řečtině) jako nejmenší složky hmoty byla intelektuálním výtvorem narozeným ve starověkém Řecku kolem roku 300 př. Nl. logika a argumentace, ale ne experimentování.

Rutherfordův atomový model

Nejpozoruhodnější atomističtí filozofové byli Democritus of Abdera (460 - 360 př.nl), Epicurus Samos (341 - 270 př.nl) a Titus Lucretius (98 - 54 př.nl). Řekové vymysleli čtyři různé typy atomů, které odpovídaly čtyřem prvkům, které podle nich tvořily hmotu: vzduch, voda, země a oheň.

Později přidal Aristoteles pátý prvek: éter, který tvořil hvězdy, protože ostatní čtyři prvky byly čistě pozemské.

Dobytí Alexandra Velikého, jehož byl Aristoteles učitelem, rozšířilo jeho přesvědčení ve starověkém světě, ze Španělska do Indie, a tak si po staletí myšlenka atomu vytvořila své vlastní místo ve světě vědy.

Atom už není nedělitelný

Myšlenky řeckých filozofů o struktuře hmoty zůstávaly pravdivé po stovky let, dokud anglický chemik a učitel školy jménem John Dalton (1776-1844) nezveřejnil výsledky svých experimentů v roce 1808.

Dalton souhlasil, že prvky jsou tvořeny extrémně malými částicemi, nazývanými atomy. Šel však dál tím, že prohlásil, že všechny atomy stejného prvku jsou stejné, mají stejnou velikost, stejnou hmotnost a stejné chemické vlastnosti, díky nimž se během chemické reakce nezmění.

Toto je první vědecky založený atomový model. Stejně jako Řekové, Dalton stále považoval atom za nedělitelný, a proto postrádal strukturu. Daltonův génius ho však přiměl dodržovat jeden z velkých principů zachování fyziky:

• V chemických reakcích atomy nejsou vytvářeny ani ničeny, pouze mění jejich distribuci.

A stanovil způsob, jakým se chemické sloučeniny vytvářejí „atomy sloučenin“ (molekuly):

• Když se dva nebo více atomů různých prvků spojí a vytvoří stejnou sloučeninu, vždy tak činí v definovaných a konstantních hmotnostních poměrech.

19. století bylo velké století elektřiny a magnetismu. Několik let po Daltonových publikacích vyvolaly výsledky některých experimentů vědce pochybnosti o nedělitelnosti atomu.

Crookesova trubice

Trubka Crookes byla zařízení navržené britským chemikem a meteorologem Williamem Crookesem (1832-1919). Experiment, který Crookes provedl v roce 1875, spočíval v tom, že do trubice naplněné plynem při nízkém tlaku byly umístěny dvě elektrody, jedna nazývaná katoda a druhá nazývaná anoda.

Stanovením potenciálního rozdílu mezi oběma elektrodami se plyn rozžhavil barvou, která byla charakteristická pro použitý plyn. Tato skutečnost naznačovala, že v atomu existovala určitá konkrétní organizace, a proto nebyla nedělitelná.

Kromě toho toto záření vyvolalo slabou fluorescenci na stěně skleněné trubice před katodou, čímž se vyřízl stín křížové značky umístěné uvnitř trubice.

Jednalo se o záhadné záření známé jako „katodové paprsky“, které cestovalo po přímce k anodě a bylo vysoce energetické, schopné vyvolat mechanické efekty a které bylo odkloněno směrem k kladně nabité desce nebo také prostřednictvím magnetů.

Objev elektronů

Záření uvnitř Crookesovy trubice nemohlo být vlnami, protože neslo negativní náboj. Joseph John Thomson (1856 - 1940) přišel s odpovědí v roce 1887, když našel vztah mezi nábojem a hmotností tohoto záření a zjistil, že to bylo vždy stejné: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, bez ohledu na plyn uzavřené v trubici nebo materiálu použitém k vytvoření katody.

Thomson nazýval tyto částice těl. Měřením jeho hmotnosti ve vztahu k elektrickému náboji dospěl k závěru, že každý korpus je mnohem menší než atom. Navrhl proto, aby k nim byly součástí, a tak objevil elektron.

Britský vědec jako první nakreslil grafický model atomu nakreslením koule s vloženými body, které vzhledem ke svému tvaru dostaly přezdívku „švestkový pudink“. Tento objev však vyvolal další otázky:

• Pokud je hmota neutrální a elektron má záporný náboj: kde v atomu je kladný náboj, který neutralizuje elektrony?
• Pokud je hmotnost elektronu menší než hmotnost atomu, z čeho se skládá zbytek atomu?
• Proč byly takto získané částice vždy elektrony a nikdy jiného typu?

Experimenty s Rutherfordovým rozptylem: atomové jádro a proton

1898 Rutherford identifikoval dva druhy záření od uranu, který on jmenoval alpha a beta.

Přirozená radioaktivita byla objevena Marie Curie již v roce 1896. Alfa částice jsou pozitivně nabité a jsou to prostě jádra hélia, ale v té době nebyl pojem jádra dosud znám. Rutherford se to chystal zjistit.

Jeden z experimentů, které Rutherford provedl v roce 1911 na univerzitě v Manchesteru, s pomocí Hanse Geigera, spočíval v bombardování tenké zlaté fólie alfa částicemi, jejichž náboj je pozitivní. Kolem zlaté fólie umístil zářivku, která jim umožnila vizualizovat účinky bombardování.

Pozorování

Rutherford a jeho asistenti studovali dopady na fluorescenční obrazovku a zjistili, že:

1. Velmi vysoké procento alfa částic prošlo fólií bez znatelné odchylky.
2. Někteří se odchýlili v poměrně strmých úhlech
3. A jen velmi málo se odrazilo celou cestu zpět

Experimenty s rozptylem v Rutherfordu. Zdroj:.

Pozorování 2 a 3 překvapila vědce a vedla je k domněnce, že osoba odpovědná za rozptyl paprsků musí mít kladný náboj a že podle pozorování číslo 1 byla tato osoba mnohem menší než u alfa částic..

Sám Rutherford o tom řekl, že to bylo „… jako kdybyste vypálili 15 palcový námořní projektil na list papíru a projektil se odrazil a zasáhl vás.“ Tomu rozhodně nemohl vysvětlit Thompsonův model.

Při analýze svých výsledků z klasického hlediska objevil Rutherford existenci atomového jádra, kde byl soustředěn kladný náboj atomu, což mu dodalo jeho neutralitu.

Rutherford pokračoval ve svých experimentech s rozptylem. Do roku 1918 byl novým cílem pro částice alfa atomy dusíku.

Tímto způsobem detekoval vodíková jádra a okamžitě věděl, že jediným místem, ze kterého tato jádra mohou pocházet, bylo samotné dusík. Jak bylo možné, že atomy vodíku byly součástí dusíku?

Rutherford pak navrhl, že jádro vodíku, prvek, kterému již bylo přiděleno atomové číslo 1, musí být základní částicí. Nazval to proton, nejprve řecké slovo. Objevy atomového jádra a protonu jsou tedy díky tomuto brilantnímu novozélanďanovi.

Rutherfordův atomový model postuluje

Nový model byl velmi odlišný od Thompsona. Byly to jeho postuláty:

• Atom obsahuje kladně nabité jádro, které, přestože je velmi malé, obsahuje téměř veškerou hmotnost atomu.
• Elektrony obíhají kolem atomového jádra ve velkých vzdálenostech a na kruhových nebo eliptických drahách.
• Čistý náboj atomu je nula, protože náboje elektronů kompenzují kladný náboj v jádru.

Rutherfordovy výpočty ukázaly na jádro se sférickým tvarem a poloměrem pouhých 10 - ¹⁵ m, přičemž hodnota atomového poloměru je asi 100 000krát větší, protože jádra jsou poměrně daleko od sebe: řádově 10 - ¹⁰ m.

Mladý Ernest Rutherford. Zdroj: Neznámý, publikován v roce 1939 v Rutherfordu: je životem a písmeny Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

To vysvětluje, proč většina alfa částic prošla hladkou vrstvou nebo měla jen velmi malé vychýlení.

Při pohledu na měřítko každodenních předmětů by se Rutherfordův atom skládal z jádra o velikosti baseballu, zatímco atomový poloměr by byl asi 8 km, a proto lze atom považovat téměř za prázdný prostor.

Díky své podobnosti s miniaturní sluneční soustavou se stala známou jako „planetární model atomu“. Elektrostatická přitažlivá síla mezi jádrem a elektrony by byla analogická gravitační přitažlivosti mezi sluncem a planetami.

Omezení

Existují však určité neshody ohledně některých pozorovaných skutečností:

• Pokud je přijata myšlenka, že elektron obíhá kolem jádra, stane se, že by elektron měl nepřetržitě emitovat záření, dokud nenarazí na jádro, s následným zničením atomu za méně než sekundu. To se naštěstí ve skutečnosti nestane.
• Kromě toho atom v určitých případech emituje určité frekvence elektromagnetického záření, když dochází k přechodům mezi stavem vyšší energie do stavu s nižší energií a pouze těmito kmitočty, nikoli jinými. Jak vysvětlit skutečnost, že energie je kvantována?

Navzdory těmto omezením, protože dnes existují mnohem sofistikovanější modely v souladu s pozorovanými skutečnostmi, je Rutherfordův atomový model stále užitečný pro studenta, aby měl úspěšný první přístup k atomu a jeho částečkám.

V tomto modelu atomu se neutron neobjevuje, další složka jádra, která byla objevena až v roce 1932.

Krátce poté, co Rutherford navrhl svůj planetární model, v roce 1913 by jej dánský fyzik Niels Bohr upravil, aby vysvětlil, proč atom není zničen, a my jsme stále tady, abychom tento příběh vyprávěli.

Články zájmu

Schrödingerův atomový model.

Atomový model De Broglie.

Chadwickův atomový model.

Heisenbergův atomový model.

Perrinův atomový model.

Thomsonův atomový model.

Atomový model Dirac Jordan.

Atomový model Demokrita.

Bohrův atomový model.

Daltonův atomový model.

Reference

1. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Poznámky k třídě pro předsedu radiobiologie a radiační ochrany. Škola veřejného zdraví na Střední univerzitě ve Venezuele.