Глава 9. Развитие атомной теории

Джозеф Джон «Дж. Дж.” Томсон предложил модель атома «сливовый пудинг» в 1904 году [1], через семь лет после открытия электрона [2] (обсуждается в главе 6).

Томсон описал атом как состоящий из электронов, окруженных положительным зарядом, который нейтрализует атом. Электроны распределены, как сливы внутри пудинга или изюм внутри фруктового пирога.

Томсоновская модель атома.

9.2 Модель атома Резерфорда

Эрнест Резерфорд опроверг теорию атома Томсона в 1911 году, когда показал, что атомы в основном состоят из пустого пространства. Резерфорд открыл это, выстрелив альфа-лучами — ядрами гелия — в тонкий лист золотой фольги. [3]

Если теория Томсона верна, то альфа-лучи должны проходить прямо через атомы золота. Вместо этого Резерфорд обнаружил, что некоторые ядра отклоняются на большие углы. Некоторых даже отбросило туда, откуда они пришли.

Предсказанные результаты эксперимента Резерфорда.

Фактические результаты эксперимента Резерфорда.

Позже Резерфорд описал это как

самое невероятное событие, которое когда-либо случалось со мной в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся бы и попал в вас. Поразмыслив, я понял, что это рассеяние назад должно быть результатом одного столкновения, и когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить что-либо такого порядка величины, если не взять систему, в которой большая часть массы атома была сосредоточена в маленьком ядре. Именно тогда у меня возникла идея атома с крошечным массивным центром, несущим заряд. [4]

Модель атома Резерфорда известна как планетарная модель, потому что большая часть массы атома сосредоточена в центре, а электроны вращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Основная проблема с моделью Резерфорда заключалась в том, что он не мог объяснить, почему отрицательно заряженные электроны остаются на орбите, когда они должны мгновенно попасть в положительно заряженное ядро. Эта проблема была решена Нильсом Бором в 1913 году (обсуждается в главе 10). [5]

Модель атома Резерфорда.

9.3 Атомы и броуновское движение

К концу 1911 года французский физик Жан Перрен наконец доказал, что атомы существуют, и подтвердил теорию Джона Дальтона (обсуждаемую в главе 6) о том, что различные элементы состоят из атомов одинакового размера. [6] Он сделал это, проведя эксперименты, основанные на объяснении Альбертом Эйнштейном броуновского движения. [7]

Броуновское движение названо в честь британского ботаника Роберта Брауна, который в 1827 году посмотрел на пыльцевые зерна под микроскопом и увидел, что они движутся в воде подобно тому, как частицы пыли движутся в солнечном свете. Он провел больше экспериментов и обнаружил, что неорганическая материя ведет себя точно так же, но он не знал, чем вызвано такое поведение. [8]

В 1905 году Эйнштейн предсказал, что броуновское движение вызывается молекулами воды, преобразующими теплоту в кинетическую энергию, заставляющую их двигаться. Молекулы воды сталкиваются друг с другом так же, как и с более крупными молекулами пыльцы, но поскольку молекулы воды не видны даже под микроскопом, кажется, что пыльца движется сама по себе.

Эйнштейн показал, что, изучая пыльцевые зерна, можно рассчитать, сколько молекул воды сталкивалось с ними и их скорость. Перрин придумал, как проводить эти эксперименты, и подтвердил теорию Эйнштейна.

9.4 Сольвеевская конференция по физике 1911 г.

1911 год стал новаторским годом для атомной теории, и это совпало с первой Сольвеевской конференцией по физике, которая состоялась в Бельгии. Бельгийский химик Эрнест Сольве пригласил для обсуждения темы «Излучение и кванты» величайших известных физиков того времени, включая Жана Перрена, Макса Планка, Генриха Рубенса, Арнольда Зоммерфельда, Джеймса Хопвуда Джинса, Эрнеста Резерфорда, Альберта Эйнштейна, Вильгельма Вина и Мари. Склодовская-Кюри. [9]

1911 г. Сольвеевская конференция по физике, 30 октября — 3 ноября 1911 г.Слева направо Стоят: Роберт Гольдшмидт, Макс Планк, Генрих Рубенс, Арнольд Зоммерфельд, Фредерик Линдеманн, Морис де Бройль, Мартин Кнудсен, Фриц Хазенорль, Жорж Хостелет, Эдуард Герцен, Джеймс Хопвуд Джинс, Эрнест Резерфорд, Хайке Камерлинг-Оннес, Альберт Эйнштейн и Поль Ланжевен. Сидят: Вальтер Нернст, Марсель Бриллюэн, Эрнест Сольве, Хендрик Лоренц, Эмиль Варбург, Жан Перрен (читает), Вильгельм Вин (стоя), Мария Склодовская-Кюри и Анри Пуанкаре. Эрнест Сольвей не присутствовал, когда была сделана фотография, и его портрет был наклеен до того, как фотография была опубликована.

9.5 Ссылки

Показать/скрыть ссылки

1. ↑ Томсон, Дж. Дж., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1904, 7, 237–265.
2. ↑ Томсон, Дж. Дж., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1897, 44, 293–316.
3. ↑ Резерфорд, Э., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1911, 21, 669–688.
4. ↑ Резерфорд, Э. в История современной науки, (Редакторы: Нидхэм, Дж., Пейджел, В.), издательство Кембриджского университета, 1938.
5. ↑ Бор, Н., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1913, 26, 1–25.
6. ↑ Най, М.Дж., Перед большой наукой: в погоне за современной химией и физикой, 1800–1940, издательство Гарвардского университета, 1999.
7. ↑ Эйнштейн, А., Аннален дер Physik1905, 17, 549–560.
8. ↑ Браун, Р., Философский журнал или Анналы химии Математика Астрономия Естествознание и общие науки1828, 4, 161–173.
9. ↑ Штрауманн, Н., ЭПЖ Н2011, 36, 379–399.