Moći ću:
opisati modele atoma
opisati Rutherfordov eksperiment
analizirati Rutherfordov model atoma.
Razvoj ideje o atomu
Slika 1.
"Atomi bora na grafitnoj podlozi" slika je dobivena pomoću elektronskog pretražnog mikroskopa s tunelirajućom sondom
Do većine danas poznatih činjenica o građi tvari, a ujedno i građi atoma, znanstvenici su došli u proteklih nešto malo više od 100 godina, ali ideja o postojanju najmanje čestice tvari je puno starija. Sama riječ atom potječe iz antičke Grčke. Osvrnimo se nakratko na neke ideje iz povijesti razvoja modela atoma.
Atomisti
Slika 2.
Portret Demokrita
Ideja o atomskoj građi tvari javlja se već u antičkoj Grčkoj u idejama atomista , i . Atomisti su smatrali da su atomi posljednja granica djeljivosti tvari. Sama riječ atom dolazi od grčke riječi atomos, što znači nedjeljiv. Atomi su zbog svojih dimenzija za atomiste bili nevidljivi dijelovi tvari koji se ne mogu dalje dijeliti, stvoriti niti uništiti. Također, raznolikost tvari koje opažamo tumačili su različitošću svojstava atoma (njihovih oblika ili veličina). Smatrali su da je sva priroda prazan prostor ispunjen atomima od kojih je građeno sve što opažamo.
Ruđer Josip Bošković
bio je hrvatski znanstvenik i filozof koji je živio i djelovao u 18. stoljeću. Rođen je u Dubrovniku gdje je započeo školovanje koje je nastavio u Rimu. Djelovao je u mnogim europskim centrima, između ostalog, Parizu, Beču i Milanu.
Ruđer Bošković doprinio je mnogim područjima znanosti i filozofije, ali njegov doprinos razumijevanju strukture tvari je iznimno značajan. Bošković je smatrao da se tvari sastoje od fizičkih točaka koje su neprotežne, neprobojne i bez strukture, ali imaju inerciju te među njima djeluje Boškovićeva sila.
Slika 3.
Ruđer Bošković
Slika 4.
Dijagram Ruđera Boškovića
Ta sila je na vrlo malim udaljenostima beskonačno velika i odbojna, povećanjem razmaka prelazi u privlačnu, pa ponovo u odbojnu te više puta mijenja svoj predznak, a na većim udaljenostima postaje privlačna, što je u skladu sa Newtonovim zakonom gravitacije. Ovaj se prikaz sile među česticama tvari pokazao vizionarskim.
Osim toga, Bošković u svom modelu atoma, u kojem međudjeluju tri točke, uvodi dopuštene i zabranjene putanje za točke. Ova ideja će zaživjeti početkom dvadesetog stoljeća u ovom modelu atoma.
Od J. Daltona do H. A. Becquerela
Od doprinosa razvoju modela atoma izdvojimo još nekoliko:
u knjizi "Novi sustav kemijske filozofije" izdanoj u dva dijela (1808. i 1810. godine) pretpostavlja da su kemijski elementi građeni od nedjeljivih čestica, atoma, a kemijski spojevi od kombinacija atoma.
Slika 5.
John Dalton
Britanski znanstvenik istraživao je proces elektrolize kojeg je 1832. godine opisao zakonima elektrolize. Važan zaključak koji ti zakoni donose razumijevanju građe atoma bio je da se u atomima nalazi električni naboj.
Nekoliko desetljeća kasnije je švedski fizičar objasnio električnu provodnost elektrolita rastavljanjem njihovih molekula otapanjem ili taljenjem na pozitivne i negativne ione čije usmjereno gibanje čini električnu struju. Naziv ion na grčkom znači "onaj koji se kreće".
Slika 6.
Henry Becquerel
je 1896. godine eksperimentalno otkrio da soli uranija emitiraju nevidljivo zračenje koje je djelovalo na fotografsku ploču te ioniziralo zrak. To zračenje je bilo dokaz postojanja unutarnje strukture atoma.
Thomsonov model atoma
Godine 1897. Joseph John Thomson je u pokusima s katodnim zrakama otkrio elektron, česticu mase 9,1⋅10-31 kg, nabijenu negativnim električnim nabojem -e. Naboj e=1,6⋅10-19 C nazivamo elementarnim nabojem.
Slika 8.
Na slici je katodna cijev iz laboratorija britanskog fizičara Josepha Johna Thomsona. Izvor: 'The Recent Development of Physical Science' autora Sir Williama Cecila Dampier-Whethama (1904).
Pogledajmo pokus na osnovu kojeg je zaključeno da katodne zrake imaju određenu količinu gibanja i da se očito radi o česticama.
Video 1.
Crookesova cijev sa lopaticama
Kasnije je utvrđeno da je uzrok okretanja lopatica u cijevi zapravo radiometrijski učinak. Kada elektroni udare o površinu lopatica, dolazi do zagrijavanja. Zbog toga se razrijeđeni plin neposredno iznad lopatice širi i dolazi do zakretanja lopatica.
Kod Crookesovog radiometra je uobičajeno da je jedna strana lopatica tamna, a druga svijetla. Zašto?
Prvi model atoma predložio je William Thomson, , 1902. godine. Ideju je razradio i tako je njegov model zapravo prvi model atoma koji je ozbiljno prihvaćen i koji se neko vrijeme koristio. Atom je zamišljen kao kuglica jednoliko nabijena pozitivnim električnim nabojem, unutar koje su simetrično raspoređeni elektroni. Taj je model atoma postao poznat kao model pudinga sa šljivama. U ravnoteži elektroni su tako raspoređeni da će njihovo privlačenje pozitivnim nabojem biti uravnoteženo odbijanjem s drugim elektronom. Predložen je i ravnotežni raspored elektrona za različite atome.
Slika 9.
Thomsonov model atoma
Thomsonov model atoma
Prema Thomsonovom modelu elektroni se mogu pobuditi na titranje oko ravnotežnih položaja i pritom emitirati elektromagnetske valove.
Rutherfordov model atoma
eksperimentalno je provjeravao Thomsonov model. On je bombardirao tanke listiće zlata snopovima α-čestica velike energije. Za njih se znalo da imaju pozitivan naboj tj. da su dvostruko ionizirani atomi helija.
Da biste se upoznali s Rutherfordovim otkrićem, pogledajte simulaciju koja ilustrira njegov eksperiment, no prvo se u kratkim crtama upoznajmo s eksperimentalnim postavom. U olovno kućište postavio je izvor snopa α-čestica kojima je bombardirao zlatni listić. Sa svih strana su se nalazili brojači koji su detektirali udarce α-čestica.
Slika 10.
Rutherfordov eksperiment
Simulacija prikazuje tri različita ishoda pokusa. Pritiskom na prvu ikonicu (zlatni listić) dobijemo opažanje u slučaju da je zlatni listić kontinuirane građe, to je model ispunjenog prostora. Pritiskom na drugu ikonicu (puding sa šljivama) dobijemo situaciju koju očekujemo ako je Thomsonov model točan. Tada visokoenergetske čestice lako prolaze kroz tanki zlatni listić. Pritiskom na treću ikonicu dobijemo rezultat koji je opazio Rutherford.
Simulacija Rutherfordovog eksperimenta
Što ste opazili?
Kako objasniti ovaj ishod?
Budući da su α-čestice masivne čestice pozitivnog naboja, činjenica da ih je većina prošla kroz listiće zlata upućuje na homogenost atoma. No uočene su i čestice koje su odstupale od očekivanog smjera. Rutherford je zaključio da su se odbile od pozitivnog tijela u središtu atoma. To tijelo imalo je veliku masu. Gotovo cjelokupna masa atoma je bila tu, ali su dimenzije tog tijela bile vrlo male. Promjer tog dijela jezgre atoma gotovo je 10 000 puta manji od promjera cijelog atoma.
Slika 11.
Objašnjenje opažanja Rutherfordovog eksperimenta
Objašnjenje opažanja Rutherfordovog eksperimenta
Sada je bilo jasno da se atom sastoji od negativnih elektrona i pozitivne jezgre pa Rutherford predlaže planetarni model atoma. Elektroni kruže oko jezgre poput planeta oko Sunca, a centripetalna sila koja uzrokuje to gibanje je Coulombova sila kojom međudjeluju jezgra i elektroni.
Rutherfordov model atoma
Ovaj model je uspješno objasnio neke pojave.
Na primjer, napravljeni su teorijski poračuni kako bi izgledalo raspršenje za različite naboje jezgara što je omogućilo da se eksperimentalno odredi naboj atomske jezgre. To je omogućilo da se dođe do zaključka da naboj jezgre odgovara rednom broju elementa u periodnom sustavu. Pošto je atom neutralan, znanstvenici su ujedno doznali i broj elektrona u atomu.
Međutim i dalje su ostala otvorena mnoga pitanja.
Zašto elektroni ne padnu na jezgru? Kako su raspoređeni elektroni? Kako je građena atomska jezgra?
Očito spomenute slike koje su prikazivale gibanje elektrona po stazama nisu odraz stvarnosti. No, u nadolazećem razdoblju pojavile su se nove teorije, prvo Bohrov model atoma koji uvodi kvantizaciju mogućih staza elektrona, a kasnije i kvantnomehanički model atoma za koji smatramo da najbolje opisuje atom.
Sažetak
Ideja o atomskoj građi tvari poznata je još iz antičke Grčke.
U 18. i 19. stoljeću brojni znanstvenici dali su svoj doprinos razvoju ove ideje, između ostalih i hrvatski znanstvenik Ruđer Josip Bošković koji je razradio ideju međudjelovanja među česticama tvari koje je nazvao fizičkim točkama.
Zamah istraživanju dali su Joseph John Thomson otkrićem elektrona i Ernest Rutherford otkrićem atomske jezgre. Oni su predložili i modele atoma kojima su pokušali opisati njegovu strukturu.