Еволюція наукової думки щодо будови атома

Дослідження та винаходи, які сприяли формуванню гіпотези про складну будову атома: відкриття субатомних частинок, рентгенівські промені та радіоактивність. Перша модель атома Дж.Дж. Томсона. Планетарна модель Резерфорда. Теорія та постулати Бора.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ЗМІСТ

• ВСТУП
• РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА
• 1.1 Відкриття субатомних частинок
• 1.2 Рентгенівські промені
• 1.3 Радіоактивність
• РОЗДІЛ 2. ЕВОЛЮЦІЯ НАУКОВОЇ ДУМКИ ЩОДО БУДОВИ АТОМА
• 2.1 Перша модель атома Дж.Дж. Томсона
• 2.2 Планетарна модель Резерфорда
• 2.3 Атом Бора
• 2.4 Квантово-механічна модель
• ВИСНОВКИ
• СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
• ВСТУП

На протязі всього існування цивілізації людство робило спроби систематизувати знання про будову матерії. Аристотель вважав, що кожне тіло в своїй основі має чотири стихії: Воду, Вогонь, Повітря і Землю. Властивості тіл залежать від кількості співвідношення цих стихій в кожному з них. Цей погляд на будову матерії проіснував практично без змін до часів середньовічних алхіміків. А доцільні відповіді на всі ці питання людство не отримало і до тепер.

Однак, за останні сто років вченим вдалося сформулювати декілька теорій будови атома, які, можливо, не далекі від істини. Філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Деякі з них стверджували, що речовина складається з дрібних часток, названих атомами. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М.В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.

Д.І. Менделєєв у своєму періодичному законі показав існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Наприкінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 р., після того як була остаточно встановлена природа катодних променів, як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. З розвитком науки та техніки зроблені нові відкриття у галузі атомної фізики. Так звані нанотехнології основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями. Тому вчення про будову атома є актуальним і на сьогодні.

Метою курсової роботи є аналіз вивчення будови атома та його моделей в історичній концепції розвитку фізики.

Об'єктом є атом та його будова.

Предметом - дослідження будови атома.

Завданнями курсової роботи є :

1. Проаналізувати літературні джерела з теми дослідження;

2. Описати винаходи, що сприяли формулюванню гіпотези про складну будову атому;

3. Розглянути основні моделі, які розкривають складну будову атома та межі їх застосувань.

РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА

1.1 Відкриття субатомних частинок

Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. Сам термін «електрон» запровадив у 1894 році Джордж Джонстоун Стоуні. Він вперше сформулював ідею про те, що природа складається із заряджених частинок ще в 1874 році.

Експериментально відкрити електрон вдалося у 1897 році Джозефу Джону Томсону в експериментах з катодними променями у вакуумних лампах. Вчений першим довів, що проміння складається з заряджених часток та визначив відношення заряду частки до її маси. Визначена Томсоном маса була в тисячі разів меншою, ніж маса атома водню, що свідчило про те, що електрон є субатомною частинкою.

В 1927 році Девісон і Джермер, а також незалежно від них Томсон, продемонстрували явище дифракції електронів, довівши, що електрон має як корпускулярні, так і хвильові властивості.

Отже, електрон -- це стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Він має негативний електричний заряд (е = ?1,6021892(46)Ч10-19 Кл) і масу ( me = 9,109554(906)Ч10?31 кг).[13,c.13]

Протон був відкритий Е. Резерфордом у 1919 році за допомогою експерементальної установки, схема якої показана на мал. 1. У герметичній посудині Э знаходилося джерело альфа - частинок К, перед джерелом розміщувався прозорий екран Ф, покритий сульфідом цинку. Коли із посудини відкачували повітря, альфа - частинки досягали екрана і спричиняли спалахи. Ці спалахи спостерігали за допомогою мікроскопа М.



Дослід Резерфорда

Якщо посудину заповнювати Нітрогеном, то альфа - частинки всю свою кінетичну енергію витрачають на іонізацію і збудження атомів Нітрогену і не можуть досягати екрана. Але рідкісні спалахи все ж спостерігались, отже, під час взаємодії альфа - частинки з атомами Нітрогену з'явилися якісь заряджені частинки, які й викликали спалахи у кристалі сульфіду цинку. Досліджуючи дію електричних та магнітних полів на частинки, що вибивались із ядер Нітрогену, встановили, що ці частинки володіють позитивним елементарним зарядом е = 1,6Ч10-19 Кл. Їх назвали протонами. Потім була визначена і його маса. Вона дорівнює mр = 1,67Ч10?29 кг = 1,0072276 а. о. м.

У 1930 році німецькі фізики В. Ботте і Г. Беккер обстрілювали альфа - частинками ядра атомів Берилію і одержали випромінювання невідомої природи, яке було здатне проходити через товсті шари свинцю з меншим послабленням, ніж рентгенівські промені. Спочатку вважали, що це випромінювання є г - променями.

У 1932 році англійський фізик - експериментатор Д. Чедвік, співробітник Е. Резерфорда, виконав досліди з вивчення властивостей випромінювання, яке виникає під час опромінення Берилію альфа - частинками, і, застосувавши до реакції закони збереження енергії та імпульсу, встановив, що це випромінювання є потоком нейтральних частинок з масою, яка приблизно дорівнює масі протона. Це і були нейтрони, які ще за 12 років до цього передбачив Е. Резерфорд. Досліди Д. Чедвіка і є експериментальним доказом існування нейтронів. Сучасні виміри показали, що маса вільного нейтрона дорівнює mп = 1,67Ч10?27 кг = 1,0086649 а. о. м.

Атомне ядро складається із протонів і нейтронів. Оболонкову протонно - нейтронну модель ядра запропонували незалежно один від одного радянський вчений Д. Д. Іваненко і німецький вчений В. Гейзенберг у 1932 році, коли був відкритий нейтрон. Згідно з їхньою ідеєю протони і нейтрони ( ще їх називають нуклонами) розміщуються в ядрі певними групами і утворюють ядерні оболонки. Число протонів у ядрі дорівнює зарядовому числу Z. Тому зарядове число Z ще називають протонним числом. А загальне число нуклонів (протонів і нейтронів) дорівнює масовому числу:

(1)

де N - число нейтронів.

Таким чином, протони, як і електрони, існують в природі у вільному стані, наприклад у космічних променях. Нейрони відсутні у природі у вільному стані. Їх немає ні в повітрі, ні в земних породах. Причиною відсутності в природі значної кількості вільних нейтронів є їхня нестабільність. Нейтрон, який звільнився з атомного ядра, через декілька хвилин самочинно розпадається на протон, електрон і електронне нейтрино.[14, c.12]

Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-х років ХХ століття була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при в-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще в 1914 р. має неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони самих різних енергій.

Розвиток квантової механіки призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення було висловлене австрійським фізиком Лізою Мейтнер у 1922. Тобто, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра повинен бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа - частинок при альфа - розпаді.

Таким чином, неперервність спектру електронів в-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Аналізуючи його, у 1931 - 1933 рр. В. Паулі передбачив існування нейтральної частинки, маса спокою якої дорівнює нулю. Цю частинку було названо нейтрино.[6, c.90]

Відкриття на рубежі ХІХ-ХХ ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини і встановлення того факту, що молекули побудовані із атомів, дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових - атомів. Виявлення в подальшому наявності складових атомів - електронів і ядер, встановлення їх складної природи, які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів), дало можливість передбачити, що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками, або же іноді називають - «субатомними частинками». До тих пір, поки їхня кількість була не дуже велика, існувала думка, що вони відіграють фундаментальну роль в будові речовини, тому їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості субатомних частинок, виявлення у багатьох із них складної будови показало, що вони, як правило, не мають властивості елементарності, але традиційна назва «елементарні частинки» за ними все ж таки збереглась.

1.2 Рентгенівські промені.

Новий період у розвитку питання про будову речовини почався з відкриття німецьким фізиком В. Рентгеном так званих х- променів.

Свій дослід вчений проводив з катодними променями, тобто потоками електронів. Випадково він помітив, що кристали, розташовані поруч з повністю захищеним апаратом для вивчення катодних променів, почали світитись. Унемо...