If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Chemia > Rozdział 7

Lekcja 1: Historia odkrycia struktury atomowej
Nauki przyrodnicze
Chemia
Elektronowa struktura atomów
Historia odkrycia struktury atomowej
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Odkrycie jądra atomowego i elektronów

Google Classroom
Promienie katodowe Thompsona i eksperyment Rutherforda ze złotą folią. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacja Akamai.

Kluczowe informacje

  • Eksperymenty J.J. Thomsona z rurą do wyładowań wykazały, że wszystkie atomy zawierają niewielkie cząstki subatomowe o ładunku ujemnym zwane elektronami.
  • Model atomu Thomsona przedstawiał coś w rodzaju "ciasta z rodzynkami", w którym ujemnie naładowane elektrony ("rodzynki") osadzone w równomiernie naładowanym "cieście".
  • Eksperyment Rutherforda z wykorzystaniem złotej folii pokazał, że atom jest pustą przestrzenią, w której środku znajduje się niewielkie, naładowane dodatnio jądro o dużej gęstości.
  • Na podstawie tych wyników Rutherford zaproponował model jądrowy atomu.

Wprowadzenie: Teoria atomistyczna Daltona

In a previous article on Dalton's atomic theory, we discussed the following postulates:
  • Cała materia jest wykonana z niepodzielnych cząstek zwanych atomami, które nie mogą być tworzone ani niszczone.
  • Atomy tego samego pierwiastka mają identyczną masę i właściwości fizyczne.
  • Związki chemiczne składają się z atomów 2 lub więcej pierwiastków.
  • Wszystkie reakcje chemiczne pociągają za sobą przegrupowanie atomów.
Pomysły Daltona okazały się fundamentem nowoczesnej teorii atomistycznej. Jednakże w późniejszym okresie okazało się, że jedno z jego podstawowych założeń jest błędne. Dalton zakładał, że atomy są najmniejszymi jednostkami materii−małymi, twardymi kulkami, których nie można bardziej rozszczepić. Założenie to utrzymywało się do czasu przeprowadzenia eksperymentów fizycznych wykazujących, że atom składa się z jeszcze mniejszych cząstek. W tym artykule omówimy niektóre kluczowe eksperymenty, które doprowadziły do odkrycia elektronu i jądra.

J.J. Thomson i odkrycie elektronu

Pod koniec XIX wieku lekarz J.J. Thomson rozpoczął eksperymenty z kineskopami. Są to zamknięte szklane rurki, z których większość powietrza została usunięta. Do dwóch elektrodach na jednym końcu rurki przykłada się wysokie napięcie, które powoduje przepływ cząstek z katody (ujemnie naładowana elektroda) do anody (dodatnio naładowana elektroda). Nawiązanie do budowy kineskopu znajduje się w angielskiej nazwie "cathode ray tubes" i wiąże się z pochodzeniem wiązki cząstek od katody. Promieniowanie można wykryć poprzez zastosowanie materiału znanego jako luminofor na dalekim końcu rurki, za anodą. Luminofor świeci się, lub emituje światło, pod wpływem promieniowania katodowego.
Schemat aparatury Thompsonaj.
Schemat aparatury J.J. Thomsona. Promieniowanie pochodzi z katody i przechodzi przez szczelinę anodową. Wiązka promieniowania katodowego odchyla się od ujemnie naładowanej płyty w kierunku płyty naładowanej dodatnio. Badanie odchylenia wiązki przez pole magnetyczne pozwoliło Thomsonowi określić stosunek masy do ładunku cząstek, z których składa się promieniowanie katodowe. Grafika z Openstax, CC BY 4.0.
Aby zbadać właściwości cząstek stałych, Thomson umieścił dwie przeciwnie naładowane płytki elektryczne wokół katody. W wyniku tego, promieniowanie katodowe odchyliło od ujemnie naładowanej płytki elektrycznej i skierowało do płytki naładowanej dodatnio. Wskazało to, że promieniowanie katodowe składało się z ujemnie naładowanych cząstek.
Thomson umieścił również dwa magnesy po obu stronach rurki i zauważył, że to pole magnetyczne również odkształca promieniowanie katodowe. Wyniki tych eksperymentów pomogły Thomsonowi określić stosunek masy do ładunku cząstek promieniowania katodowego, co doprowadziło do fascynującego odkrycia−masa każdej cząstki była o wiele mniejsza niż masa któregokolwiek znanego atomu. Thomson powtórzył eksperymenty wykorzystując jako elektrody różne metale, i stwierdził, że właściwości promieniowania katodowego pozostały na stałym poziomie, bez względu na to, z jakiego materiału katodowego pochodziły. Z tych obserwacji Thomson wyciągnął następujące wnioski:
  • Promieniowanie katodowe składa się z ujemnie naładowanych cząstek.
  • Cząstki muszą istnieć jako część atomu, ponieważ masa każdej cząstki wynosi tylko ∼12000 masy atomu wodoru.
  • Te cząstki, nazwane subatomowymi, można znaleźć w atomach wszystkich pierwiastków.
Początkowo kontrowersyjne odkrycia Thomsona były stopniowo akceptowane przez naukowców. Ostatecznie jego kineskopowe cząstki otrzymały nazwę elektrony. Odkrycie elektronu częściowo obaliło atomistyczną teorię Daltona, która zakładała, że atomy są niepodzielne. Aby uwzględnić istnienie elektronów, potrzebny był zupełnie nowy model atomu.
Sprawdź się: Dlaczego Thomson stwierdził, że elektrony można znaleźć w atomach wszystkich pierwiastków?

Model atomu Thomsona

Thomson wiedział, że atomy są elektrycznie neutralne. Wyciągnął wniosek, że w atomie musi istnieć źródło ładunku dodatniego, aby zrównoważyć ładunek ujemny elektronów. W związku z tym zaproponował, aby atomy można było opisać jako ujemne cząsteczki pływające wśród "morza" rozproszonego ładunku dodatniego, jak rodzynki w cieście. Model ten jest często nazywany z ang. plum pudding model, ze względu na fakt, że jego opis jest bardzo podobny do śliwkowego puddingu, popularnego angielskiego deseru (zob. rysunek poniżej).
Model atomu Thomsona po prawej stronie i zdjęcie puddingu śliwkowego po lewej stronie.
Model atomu Thomsona przedstawia elektrony jako ujemnie naładowane cząstki osadzone w "morzu" ładunków dodatnich tak, jak rodzynki w cieście. Struktura atomu Thomsona jest analogiczna do ciasta z rodzynkami, albo do śliwkowego puddingu, tradycyjnego angielskiego deseru (z lewej). Grafika z Openstax, CC BY 4.0.
Biorąc pod uwagę to, co teraz wiemy o rzeczywistej strukturze atomów, model ten może wydawać się nieco naciągany. Na szczęście naukowcy w dalszym ciągu badali strukturę atomu, analizując poprawność modelu atomu Thomsona.
Zastanów się: Thomson zaproponował model atomu, gdzie cząstki o ładunku ujemnym są z rzadka rozłożone w "morzu” ładunku dodatniego, jak rodzynki w cieście. Czy mógłbyś pomyśleć o innym modelu atomu, który wyjaśniałby wyniki eksperymentalne Thomsona?

Eksperyment Ernesta Rutherforda ze złotą folią

Kolejny przełomowy eksperyment w historii atomu wykonał Ernest Rutherford, fizyk z Nowej Zelandii, który spędził większość swojej kariery w Anglii i Kanadzie. W swoim słynnym eksperymencie ze złotą folią Rutherford skierował cienką wiązkę cząstek α (cząstek alfa) na bardzo cienki arkusz czystego złota. Cząstki alfa to jądra helu (24He2+), które uczestniczą w różnych procesach rozpadu radioaktywnego. W tym przypadku Rutherford umieścił próbkę radu (metalu radioaktywnego) wewnątrz wykonanej z ołowiu skrzynki z małym otworem. Większość promieniowania została pochłonięta przez ołów, ale cienka wiązka cząstek α wydostała się przez otwór w kierunku złotej folii. Folia była otoczona ekranem, na którego powierzchni po zderzeniu z cząstką α pojawiał się błysk.
Schemat eksperymentu Rutherforda ze złotą folią.
W eksperymencie Rutherforda ze złotą folią wiązka cząstek α padała na cienki arkusz złotej folii. Większość cząstek α przeniknęła prosto przez złotą folię, ale niewielka liczba cząstek została nieco odchylona, a jeszcze mniejsza część padających cząstek przechodząc przez folę została odchylona o ponad 90∘. Grafika z Openstax, CC BY 4.0.
Na podstawie modelu atomu Thomsona, Rutherford przewidział, że większość cząstek α przeniknie przez złotą folię. Wynika to z założenia, że ładunek dodatni w modelu Thomsona jest rozproszony na całą objętość atomu. Dlatego też pole elektryczne „zupy” o ładunku dodatnim byłoby zbyt słabe, aby znacząco wpłynąć na ruch stosunkowo dużych i szybko przemieszczających się cząstek α.
Wyniki eksperymentu były dużym zaskoczeniem. Podczas gdy prawie wszystkie cząstki α przeleciały prosto przez złotą folię, kilka cząstek α (około 1 na 20 000) zostało odchylonych o ponad 90∘! Rutherford sam opisał wyniki za pomocą następującej analogii: „Było to najbardziej niesamowite wydarzenie, które kiedykolwiek zdarzyło się w moim życiu. Było to prawie tak niesamowite, jak gdyby wystrzelić prawie 40-cm pocisk w papierową bibułkę, a on odbiłby się od niej i uderzył w ciebie."
Wyniki eksperymentu Rutherforda ze złotą folią, oczekiwane zgodnie z modelem Thomsona (po lewej) oraz faktyczne wyniki eksperymentu (po prawej).
Na podstawie modelu atomu Thomsona uważano, że w atomach złota nie było nic wystarczająco gęstego ani ciężkiego, aby odchylić duże cząstki α pod dużym kątem (z lewej). Jednak to, co zaobserwował Rutherford, nie pasowało do tego przewidywania (z prawej)−potrzebny był nowy model atomu!

Jądrowy model atomu

Na podstawie wyników swojego eksperymentu Rutherford sformułował następujące wnioski dotyczące struktury atomu:
  • Ładunek dodatni musi być zlokalizowany w bardzo małej objętości atomu, która zawiera również większość masy atomu. Wyjaśniło to, dlaczego bardzo mała część cząstek α została odchylona w sposób drastyczny — dlatego, że do zderzenia z jądrami atomów złota dochodziło stosunkowo rzadko.
  • Ponieważ większość cząstek α przeniknęła przez złotą folię nie odchylając się, atom musi się składać głównie z pustej przestrzeni!
Grafika przedstawia elektrony (czerwone kulki) poruszające się na orbitach wokół jądra (czarna kulka).
Model jądrowy atomu. Grafika przedstawiająca model atomu Rutherforda z Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.
To doprowadziło Rutherforda do zaproponowania modelu jądrowego, w którym atom składa się z bardzo małych, dodatnio naładowanych jąder otoczonych przez elektrony naładowane ujemnie. Analizując liczbę cząstek α odchylonych w eksperymencie, Rutherford obliczył, że jądro zajmuje niewielką część objętości atomu.
Model jądrowy wyjaśnił wyniki eksperymentalne Rutherforda, ale także sprowokował kolejne pytania. Na przykład, co w atomach robią elektrony? W jaki sposób elektrony unikają połączenia się z jądrem w atomie, skoro przeciwne ładunki się przyciągają? Na szczęście nauka była gotowa na to wyzwanie! Fizycy tacy jak Niels Bohr kontynuowali prace nad eksperymentami pozwalającymi testować jądrowy model atomu, który ostatecznie przekształcił się w nowoczesny model mechaniki kwantowej.

Podsumowanie

  • Eksperymenty J.J. Thomsona z rurą do wyładowań wykazały, że wszystkie atomy zawierają niewielkie cząstki subatomowe o ładunku ujemnym zwane elektronami.
  • Model atomu Thomsona przedstawiał ujemnie naładowane elektrony osadzone równomiernie w "morzu" o ładunku dodatnim tak, jak rodzynki w cieście.
  • Eksperyment Rutherforda z wykorzystaniem złotej folii pokazał, że atom jest pustą przestrzenią, w której środku znajduje się niewielkie, naładowane dodatnio jądro o dużej gęstości.
  • Na podstawie tych wyników Rutherford zaproponował model jądrowy atomu.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.