Основи на структурата на атома. Просто нещо сложно. Съвременни представи за структурата на атома Учението за сложната структура на атома година
До края на 19 век повечето учени представят атома като неразложима и неделима частица от елемент - „крайния възел“ на материята. Смятало се също, че атомите са неизменни: атом на даден елемент при никакви обстоятелства не може да се трансформира в атом на друг елемент.
Краят на 19-ти и началото на 20-ти век се характеризира с нови открития във физиката и химията, които променят представата за атома като неизменна частица, свидетелстваща за сложния състав на атомите и възможността за тяхното взаимно преобразуване.
Това включва на първо място откриването на електрона от английския физик Томсън през 1897 г., откриването и изследването на радиоактивността в края на 90-те години на 19 век. А. Бекерел, Мария и Пиер Кюри, Е. Ръдърфорд.
Около началото на ХХ век. Изследванията на редица явления (излъчване от горещи тела, фотоелектричен ефект, атомни спектри) доведоха до заключението, че енергията се разпределя и предава, поглъща и излъчва не непрекъснато, а дискретно, на отделни порции - кванти. Енергията на система от микрочастици също може да приема само определени стойности, които са кратни на броя на квантите.
Предположението за квантовата енергия е направено за първи път от М. Планк (1900 г.). Енергията на кванта E е пропорционална на честотата на излъчване ν:
където h е константата на Планк (6,626 10 -34 J×s), ν=, s е скоростта на светлината, l е дължината на вълната.
През 1905 г. А. Айнщайн прогнозира, че всяка радиация е поток от енергийни кванти, наречени фотони. От теорията на Айнщайн следва, че светлината има двойна природа.
През 1911 г. Ръдърфорд предлага ядрен планетарен модел на атом, състоящ се от тежко ядро, около което обикалят електрони, подобно на планетите в Слънчевата система. Въпреки това, както показва теорията на електромагнитното поле, електроните в този случай трябва да се движат в спирала, непрекъснато излъчвайки енергия и да падат върху ядрото.
Датският учен Н. Бор, използвайки модела на Ръдърфорд и теорията на Планк, предлага първия квантов модел (1913) на структурата на водородния атом, според който електроните се движат около ядрото не по произволни, а само по разрешени орбити, в които електронът има определени енергии. Когато един електрон се движи от една орбита в друга, атомът абсорбира или излъчва енергия под формата на кванти. Теорията на Бор направи възможно изчисляването на енергията на електроните, стойностите на енергийните кванти, излъчвани по време на прехода на електрон от едно ниво на друго. Тя не само обясни физическата природа на атомните спектри в резултат на прехода на електрони от една стационарна орбита в друга, но и направи възможно за първи път да се изчислят спектрите. Изчислението на Бор на спектъра на най-простия атом, водородния атом, дава блестящи резултати: изчисленото положение на спектралните линии във видимата част на спектъра съвпада с действителното им местоположение в спектъра. Но теорията на Бор не може да обясни поведението на електрона в магнитно поле и всички атомни спектрални линии се оказват неподходящи за многоелектронни атоми. Имаше нужда от нов модел на атома, основан на открития в микрокосмоса.
2.3. Квантово-механичен модел на водородния атом. Първоначални концепции на квантовата механика
През 1924г Луи дьо Бройл (Франция) предполага, че електронът, подобно на другите микрочастици, се характеризира с двойственост частица-вълна. Де Бройл предлага уравнение, свързващо дължината на вълната λ на електрон или всяка друга частица с маса m и скорост v:
Де Бройл нарича вълни от частици материя материални вълни. Те са характерни за всички частици или тела, но, както следва от уравнението, за макротелата дължината на вълната е толкова малка, че в момента не може да бъде открита. И така, за тяло с маса 1000 kg, движещо се със скорост 108 km/h (30 m/s), λ = 2,21 10 -38 m.
Хипотезата на Де Бройл беше експериментално потвърдена чрез откриването на дифракция и интерференция на електронния поток. Понастоящем дифракцията на потоците от електрони, неутрони и протони се използва широко за изследване на структурата на веществата.
През 1927г В. Хайзенберг (Германия) постулира принципа на несигурността, според който положението и импулсът на субатомната частица (микрочастица) е принципно невъзможно да се определи по всяко време с абсолютна точност. Във всеки един момент може да се определи само едно от тези свойства. Е. Шрьодингер (Австрия) през 1926 г изведе математическо описание на поведението на електрона в атома. Същността му се състои в това, че движението на електроните в атома се описва с вълново уравнение, а местоположението на електрона се определя според вероятностните принципи. Уравнението на Шрьодингер, което е в основата на съвременната квантово-механична теория за структурата на атома, има формата (в най-простия случай):
Трудовете на Планк, Айнщайн, Бор, де Бройл, Хайзенберг и Шрьодингер полагат основите на квантовата механика, която изучава движението и взаимодействието на микрочастиците. Тя се основава на концепцията за квантовата енергия, вълновата природа на движението на микрочастиците и вероятностния (статистически) метод за описание на микрообекти.
Клонът на физиката, който изучава вътрешната структура на атомите. Атомите, първоначално смятани за неделими, са сложни системи. Те имат масивно ядро от протони и неутрони, около които се движат електрони в празно пространство. Атомите са много малки - размерите им са около 10 –10 –10 –9 m, а размерите на ядрото все още са около 100 000 пъти по-малки (10 –15 –10 –14 m). Следователно атомите могат да се „видят“ само индиректно, в изображение с много голямо увеличение (например, използвайки проектор с полеви емисии). Но дори и в този случай атомите не могат да се видят в детайли. Познанията ни за тяхната вътрешна структура се основават на огромно количество експериментални данни, които косвено, но убедително подкрепят горното.
Представите за структурата на атома се променят коренно през 20 век. повлиян от нови теоретични идеи и експериментални данни. Все още има нерешени въпроси в описанието на вътрешната структура на атомното ядро, които са обект на интензивни изследвания. Следващите раздели очертават историята на развитието на идеите за структурата на атома като цяло; отделна статия е посветена на структурата на ядрото ( СТРУКТУРА НА АТОМНОТО ЯДРО), тъй като тези идеи се развиха до голяма степен независимо. Енергията, необходима за изследване на външните обвивки на атома, е относително малка, от порядъка на топлинна или химическа енергия. Поради тази причина електроните са открити експериментално много преди откриването на ядрото.
Ядрото, въпреки малкия си размер, е много силно свързано, така че може да бъде унищожено и изследвано само с помощта на сили, милиони пъти по-интензивни от силите, действащи между атомите. Бързият напредък в разбирането на вътрешната структура на ядрото започна едва с появата на ускорителите на частици. Именно тази огромна разлика в размера и енергията на свързване ни позволява да разглеждаме структурата на атома като цяло отделно от структурата на ядрото.
За да получите представа за размера на атома и празното пространство, което заема, помислете за атомите, които образуват капка вода с диаметър 1 mm. Ако мислено увеличите тази капка до размера на Земята, тогава атомите на водорода и кислорода, включени в молекулата на водата, ще имат диаметър от 1–2 m, по-голямата част от масата на всеки атом е концентрирана в нейното ядро, диаметър от които е само 0,01 mm.
Историята на възникването на най-общите идеи за атома обикновено датира от времето на гръцкия философ Демокрит (ок. 460 - ок. 370 г. пр. н. е.), който мисли много за най-малките частици, на които може да бъде разделено всяко вещество . Група гръцки философи, които поддържаха мнението, че съществуват такива малки неделими частици, бяха наречени атомисти. Гръцкият философ Епикур (ок. 342–270 г. пр. н. е.) приема атомната теория и през първи век пр. н. е. един от неговите последователи, римският поет и философ Лукреций Кар, очертава учението на Епикур в поемата „За природата на нещата“, благодарение на което то е запазено за следващите поколения. Аристотел (384–322 г. пр. н. е.), един от най-великите учени на древността, не приема атомната теория и неговите възгледи за философията и науката впоследствие надделяват в средновековното мислене. Атомистичната теория изглежда не съществува до самия край на Ренесанса, когато чисто спекулативните философски разсъждения са заменени от експеримент.
По време на Ренесанса започват систематични изследвания в областите, които сега се наричат химия и физика, носейки със себе си нови прозрения за природата на „неделимите частици“. Р. Бойл (1627–1691) и И. Нютон (1643–1727) основават разсъжденията си на идеята за съществуването на неделими частици материя. Но нито Бойл, нито Нютон се нуждаеха от подробна атомна теория, за да обяснят явленията, които ги интересуваха, и резултатите от техните експерименти не разкриха нищо ново за свойствата на „атомите“.
СТРУКТУРА НА АТОМА
Законите на Далтон.Първото наистина научно обосноваване на атомната теория, което убедително демонстрира рационалността и простотата на хипотезата, че всеки химичен елемент се състои от най-малките частици, е работата на английския училищен учител по математика Дж. Далтън (1766–1844), чиято статия посветен на този проблем се появява през 1803 г.
Далтън изучава свойствата на газовете, по-специално съотношението на обемите газове, които реагират, за да образуват химично съединение, например при образуването на вода от водород и кислород. Той установи, че съотношенията на реагиралите количества водород и кислород винаги са съотношения на малки цели числа. Така, когато се образува вода (H 2 O), 2,016 g водороден газ реагира с 16 g кислород, а когато се образува водороден пероксид (H 2 O 2), 32 g кислороден газ реагира с 2,016 g водород. Масите на кислорода, реагиращ със същата маса водород, за да образуват тези две съединения, са свързани едно с друго като малки числа:
Въз основа на тези резултати Далтън формулира своя „закон за множество съотношения“. Според този закон, ако два елемента се комбинират в различни пропорции, за да образуват различни съединения, тогава масите на един от елементите, комбинирани със същото количество от втория елемент, се съотнасят като малки цели числа. Според втория закон на Далтон, „законът за постоянните съотношения“, във всяко химично съединение съотношението на масите на съставните му елементи е винаги едно и също. Голямо количество експериментални данни, свързани не само с газове, но и с течности и твърди съединения, са събрани от J. Berzelius (1779-1848), който прави точни измервания на реагиращите маси на елементи за много съединения. Неговите данни потвърдиха законите, формулирани от Далтон, и убедително показаха, че всеки елемент има най-малката единица маса.
Атомните постулати на Далтън имат предимството пред абстрактните разсъждения на древногръцките атомисти, че неговите закони правят възможно обяснението и свързването на резултатите от реални експерименти, както и предсказване на резултатите от нови експерименти. Той постулира, че 1) всички атоми на един и същи елемент са идентични във всички отношения, по-специално техните маси са еднакви; 2) атомите на различни елементи имат различни свойства, по-специално техните маси са различни; 3) съединението, за разлика от елемента, съдържа определено цяло число атоми на всеки от неговите съставни елементи; 4) при химични реакции може да възникне преразпределение на атоми, но нито един атом не се унищожава или създава отново. (Всъщност, както се оказа в началото на 20 век, тези постулати не са стриктно изпълнени, тъй като атомите на един и същи елемент могат да имат различни маси, например водородът има три такива разновидности, наречени изотопи; в допълнение, атомите може да претърпи радиоактивни трансформации и дори напълно да се срине, но не и в химичните реакции, разглеждани от Далтън.) Въз основа на тези четири постулата, атомната теория на Далтън предоставя най-простото обяснение на законите на постоянните и множествените съотношения.
Въпреки че законите на Далтон са в основата на цялата химия, те не определят действителните размери и маси на атомите. Те не казват нищо за броя на атомите, съдържащи се в определена маса на елемент или съединение. Молекулите на простите вещества са твърде малки, за да бъдат претеглени поотделно, така че трябва да се използват косвени методи за определяне на масите на атомите и молекулите.
Числото на Авогадро.През 1811 г. А. Авогадро (1776–1856) излага хипотеза, която значително опростява анализа на това как съединенията се образуват от елементи и установява разликата между атоми и молекули. Неговата идея беше, че равни обеми газове при една и съща температура и налягане съдържат еднакъв брой молекули. По принцип намек за това може да се намери в по-ранната работа на J. Gay-Lussac (1778–1850), който установява, че съотношението на обемите на газообразните елементи, влизащи в химична реакция, се изразява в цели числа, макар и различни от масовите съотношения, получени от Dalton. Например, 2 литра водороден газ (H2 молекули), комбинирайки се с 1 литър кислороден газ (O2 молекули), образуват 1 литър водна пара (H2O молекули).
Истинският брой на молекулите в даден обем газ е изключително голям и до 1865 г. не може да бъде определен с приемлива точност. Но още по времето на Авогадро бяха направени груби оценки въз основа на кинетичната теория на газовете. Много удобна единица за измерване на количеството вещество е молът, т.е. количеството вещество, в което има толкова молекули, колкото има атоми в 0,012 kg от най-често срещания изотоп на въглерод 12 C. Един мол идеален газ при нормални условия (n.s.), т.е. стандартна температура и налягане, заема обем от 22,4 литра. Числото на Авогадро е общият брой молекули в един мол вещество или в 22,4 литра газ при околни условия. Други методи, като рентгенография, дават числото на Авогадро Н 0 по-точни стойности от тези, получени на базата на кинетичната теория. Понастоящем приетата стойност е 6,0221367×10 23 атома (молекули) в един мол. Следователно, 1 литър въздух съдържа приблизително 3 × 10 22 молекули кислород, азот и други газове.
Важната роля на числото на Авогадро за атомната физика се дължи на факта, че то позволява да се определят масата и приблизителните размери на атом или молекула. Тъй като масата на 22,4 литра H2 газ е 2,016×10 –3 kg, масата на един водороден атом е 1,67×10 –27 kg. Ако приемем, че в твърдо тяло атомите са разположени близо един до друг, тогава числото на Авогадро ще ни позволи приблизително да оценим радиуса r, да речем, алуминиеви атоми. За алуминия 1 мол е равен на 0,027 kg, а плътността е 2,7H103 kg/m3. В този случай имаме
Къде r» 1,6 × 10 –10 m По този начин първите оценки на числото на Авогадро дадоха представа за атомните размери.
Откриване на електрона.Експерименталните данни, свързани с образуването на химични съединения, потвърдиха съществуването на „атомни“ частици и позволиха да се прецени малкият размер и маса на отделните атоми. Въпреки това, действителната структура на атомите, включително съществуването на дори по-малки частици, които изграждат атомите, остава неясна до откриването на електрона от J. J. Thomson през 1897 г. Дотогава атомът се смяташе за неделим и разликите в химичните свойства на различните елементи нямаше обяснение. Още преди откритието на Томсън бяха проведени редица интересни експерименти, в които други изследователи изследваха електрически ток в стъклени тръби, пълни с газ при ниско налягане. Такива тръби, наречени тръби на Гайслер на името на немския стъклар Г. Гайслер (1815–1879), който пръв започва да ги прави, излъчват ярко сияние, когато са свързани към намотката с високо напрежение на индукционна бобина. Тези електрически разряди се заинтересуваха от W. Crookes (1832–1919), който установи, че естеството на разряда в тръбата се променя в зависимост от налягането и разрядът напълно изчезва при висок вакуум. По-късни изследвания на J. Perrin (1870–1942) показват, че „катодните лъчи“, които причиняват сиянието, са отрицателно заредени частици, които се движат по права линия, но могат да бъдат отклонени от магнитно поле. Но зарядът и масата на частиците остават неизвестни и не е ясно дали всички отрицателни частици са еднакви.
Голямата заслуга на Томсън е доказателството, че всички частици, които образуват катодни лъчи, са еднакви една с друга и са част от материята. С помощта на специален тип изпускателна тръба, показана на фиг. 1, Томсън измерва скоростта и съотношението заряд/маса на катодните лъчеви частици, по-късно наречени електрони. Електроните излетяха от катода под въздействието на разряд с високо напрежение в тръбата. През отвори гИ дМинаха само тези от тях, които летяха по оста на тръбата.
ориз. 1. СЪОТНОШЕНИЕ НА ЗАРЯД КЪМ МАСА. Тръба, използвана от английския физик Дж. Томсън за определяне на съотношението заряд/маса на катодни лъчи. Тези експерименти доведоха до откриването на електрона.
В нормален режим тези електрони удрят центъра на луминесцентния екран. (Тръбата на Томсън беше първата "електронно-лъчева тръба" с екран, предшественик на телевизионната тръба.) Тръбата също така съдържаше двойка електрически кондензаторни плочи, които, когато се захранват, можеха да отклоняват електроните. Електрическа енергия F E, действащ по обвинението дот електрическото поле д, се дава от израза
F E = eE .
Освен това може да се създаде магнитно поле в същата област на тръбата, като се използва двойка намотки, носещи ток, способни да отклоняват електрони в обратна посока. Сила F H, действащи от магнитното поле з, пропорционална на напрегнатостта на полето, скорост на частиците vи нейното обвинение д :
F H = Hev .
Томсън регулира електрическите и магнитните полета така, че общото отклонение на електроните да е нула, т.е. електронният лъч се върна в първоначалното си положение. Тъй като в този случай и двете сили F EИ F Hса равни, скоростта на електроните се дава от
v = E/H .
Томсън установи, че тази скорост зависи от напрежението на тръбата Vи че кинетичната енергия на електроните мв 2/2 е право пропорционално на това напрежение, т.е. мв 2 /2 = eV. (Оттук и терминът "електрон-волт" за енергията, придобита от частица със заряд, равен на този на електрон, когато се ускори от потенциална разлика от 1 V.) Комбинирайки това уравнение с израз за скоростта на електрона, той намери съотношението заряд/маса:
Тези експерименти позволиха да се определи връзката д /мза електрон и даде приблизителна стойност на заряда д. Точно стойност де измерено от Р. Миликен, който в своите експерименти гарантира, че заредените капчици масло висят във въздуха между плочите на кондензатор. В момента характеристиките на електрона са известни с голяма точност:
Така масата на електрона е значително по-малка от масата на водородния атом:
Експериментите на Томсън показаха, че електроните при електрически разряди могат да възникнат от всяко вещество. Тъй като всички електрони са еднакви, елементите трябва да се различават само по броя на електроните. В допълнение, малката стойност на масата на електрона показва, че масата на атома не е концентрирана в тях.
Масспектрограф на Томсън.Скоро останалата част от атома с положителен заряд може да бъде наблюдавана с помощта на същата, макар и модифицирана, разрядна тръба, което направи възможно отварянето на електрона. Още първите експерименти с газоразрядни тръби показаха, че ако в средата на тръбата се постави катод с дупка, тогава положително заредените частици преминават през „канала“ в катода, причинявайки флуоресцентния екран, разположен в края на тръбата отсреща от анода да свети. Тези положителни „каналови лъчи“ също бяха отклонени от магнитното поле, но в обратна посока на електроните.
Томсън решава да измери масата и заряда на тези нови лъчи, като също използва електрически и магнитни полета за отклоняване на частиците. Неговият инструмент за изследване на положителните лъчи, „масспектрографът“, е показан схематично на фиг. 2. Различава се от устройството, показано на фиг. 1, тъй като електрическите и магнитните полета отклоняват частиците под прав ъгъл една спрямо друга и следователно не може да се получи "нулево" отклонение. Положително заредените атоми по пътя между анода и катода могат да загубят един или повече електрони и поради тази причина могат да бъдат ускорени до различни енергии. Атомите от един и същи тип със същия заряд и маса, но с известно разпределение на крайните скорости, ще начертаят крива линия (сегмент на парабола) върху луминисцентен екран или фотографска плака. При наличието на атоми с различни маси, по-тежките атоми (с еднакъв заряд) ще се отклоняват по-малко от централната ос, отколкото по-леките. На фиг. Фигура 3 показва снимка на параболи, получена на масспектрограф Thomson. Най-тясната парабола съответства на най-тежкия единично йонизиран атом (атом на живак), от който е избит един електрон. Двете най-широки параболи съответстват на водорода, едната на атомния Н +, а другата на молекулярния Н 2 +, като и двете са единично йонизирани. В някои случаи се губят два, три или дори четири заряда, но атомният водород никога не е наблюдаван да се йонизира повече от веднъж. Това обстоятелство беше първата индикация, че водородният атом има само един електрон, т.е. това е най-простият атом.
ориз. 2. МАСОВИ СПЕКТРОГРАФИ, използвани от Томсън за определяне на относителните маси на различни атоми от отклонението на положителните лъчи в магнитни и електрически полета.
ориз. 3. МАСОСПЕКТРИ, снимки с разпределение на йонизирани атоми на пет вещества, получени в масспектрограф. Колкото по-голяма е масата на атомите, толкова по-малко е отклонението.
Други доказателства за сложната структура на атома.По същото време, когато Томсън и други изследователи експериментираха с катодни лъчи, откриването на рентгеновите лъчи и радиоактивността донесе допълнителни доказателства за сложната структура на атома. През 1895 г. V. Roentgen (1845–1923) случайно открива мистериозно излъчване („ X-лъчи"), прониквайки през черната хартия, с която той обви тръбата на Крукс, докато изследваше зелената луминесцентна област на електрическия разряд. X-лъчите предизвикаха сиянието на отдалечен екран, покрит с кристален бариев платиноцианид. Рентген установи, че различни вещества с различна дебелина, въведени между екрана и тръбата, отслабват сиянието, но не го гасят напълно. Това показва изключително висока проникваща способност X- лъчи. Рентгенът също установи, че тези лъчи се разпространяват праволинейно и не се отклоняват от електрически и магнитни полета. Появата на такава невидима, проникваща радиация от електронно бомбардиране на различни материали беше нещо напълно ново. Известно е, че видимата светлина от тръбите на Гайслер се състои от отделни „спектрални линии“ със специфични дължини на вълната и следователно е свързана с „вибрации“ на атоми, които имат дискретни честоти. Съществена характеристика на новото лъчение, която го отличава от оптичните спектри, в допълнение към високата му проникваща способност, е, че оптичните спектри на елементи с последователно нарастващ брой електрони са напълно различни един от друг, докато спектрите X-лъчите се променят много леко от елемент на елемент.
Друго откритие, свързано с атомната структура, е, че атомите на някои елементи могат спонтанно да излъчват радиация. Това явление е открито през 1896 г. от А. Бекерел (1852–1908). Бекерел открива радиоактивността с помощта на уранови соли, докато изучава луминесценцията на солите под въздействието на светлина и връзката й с луминесценцията на стъкло в рентгенова тръба. При един от експериментите се наблюдава почерняване на фотоплака, обвита в черна хартия и разположена близо до урановата сол в пълна тъмнина. Това случайно откритие стимулира интензивно търсене на други примери за естествена радиоактивност и експерименти за определяне естеството на излъчваната радиация. През 1898 г. П. Кюри (1859–1906) и М. Кюри (1867–1934) откриват още два радиоактивни елемента – полоний и радий. Е. Ръдърфорд (1871–1937), след като изследва проникващата способност на урановата радиация, показа, че има два вида радиация: много „мека“ радиация, която лесно се абсорбира от веществото и която Ръдърфорд нарича алфа-лъчи, и по-проникваща радиация, която той нарича бета-лъчи. Оказа се, че бета-лъчите са идентични с обикновените електрони или „катодните лъчи“, възникващи в газоразрядните тръби. Установено е, че алфа лъчите имат същия заряд и маса като атомите на хелия, лишени от двата си електрона. Третият тип радиация, наречен гама лъчи, се оказа подобен на X-лъчи, но имали още по-голяма проникваща сила.
Всички тези открития ясно показаха, че атомът не е „неделим“. Той не само се състои от по-малки части (електрони и по-тежки положителни частици), но тези и други субчастици изглеждат спонтанно излъчени по време на радиоактивния разпад на тежките елементи. В допълнение, атомите не само излъчват радиация във видимата област на дискретни честоти, но също могат да станат толкова развълнувани, че да започнат да излъчват „по-твърдо“ електромагнитно излъчване, а именно X- лъчи.
Моделът на Томсън на атома.Дж. Томсън, който направи огромен принос в експерименталното изследване на структурата на атома, се опита да намери модел, който да обясни всички негови известни свойства. Тъй като преобладаващата част от масата на атома е концентрирана в неговата положително заредена част, той приема, че атомът е сферично разпределение на положителен заряд с радиус приблизително 10 -10 m, а на повърхността му има електрони, задържани от еластични сили, които им позволяват да осцилират (фиг. 4). Нетният отрицателен заряд на електроните точно анулира положителния заряд, така че атомът е електрически неутрален. Електроните са върху сферата, но могат да извършват прости хармонични трептения спрямо равновесното положение. Такива колебания могат да възникнат само при определени честоти, които съответстват на тесни спектрални линии, наблюдавани в газоразрядни тръби. Електроните могат да бъдат изхвърлени от техните позиции доста лесно, което води до положително заредени "йони", които съставляват "лъчите на канала" в експериментите с масов спектрограф. X-лъчите съответстват на много високи обертонове на основните вибрации на електроните. Алфа частиците, произведени по време на радиоактивни трансформации, са част от положителната сфера, избити от нея в резултат на известно енергийно разкъсване на атома.
ориз. 4. АТОМ, според модела на Томсън. Електроните се задържат вътре в положително заредена сфера от еластични сили. Тези от тях, които са на повърхността, могат да бъдат "избити" доста лесно, оставяйки йонизиран атом.
Този модел обаче предизвика редица възражения. Едно от тях се дължи на факта, че както откриха спектроскопистите, които измерват емисионните линии, честотите на тези линии не са просто кратни на най-ниската честота, както би трябвало да е в случая на периодични колебания на заряда. Вместо това те се приближават една до друга с увеличаване на честотата, сякаш се доближават до граница. Още през 1885 г. И. Балмер (1825–1898) успява да намери проста емпирична формула, свързваща честотите на линиите във видимата част на водородния спектър:
Къде п– честота, c– скорост на светлината (3×10 8 m/s), п– цяло число и R H- определен постоянен фактор. Според тази формула в дадена поредица от спектрални линии на водорода не трябва да има линии с дължина на вълната лпо-малко от 364,56 nm (или по-високи честоти), съответстващи на п= Ґ. Това се оказа така и това се превърна в сериозно възражение срещу модела на атома на Томсън, въпреки че бяха направени опити да се обясни несъответствието с разликата в еластичните възстановяващи сили за различните електрони.
Въз основа на модела на атома на Томсън също беше изключително трудно да се обясни излъчването на рентгенови лъчи или гама лъчение от атомите.
Трудностите в модела на атома на Томсън също са причинени от отношението д/мзаряд към маса за атоми, които са загубили своите електрони („лъчи на канала“). Най-простият атом е водороден атом с един електрон и сравнително масивна сфера, носеща един положителен заряд. Много по-рано, през 1815 г., W. Prout предполага, че всички по-тежки атоми се състоят от водородни атоми и би било разбираемо, ако масата на атома нараства пропорционално на броя на електроните. Измерванията обаче показват, че съотношението заряд/маса не е еднакво за различните елементи. Например, масата на неонов атом е около 20 пъти по-голяма от масата на водороден атом, докато зарядът е само 10 единици положителен заряд (неоновият атом има 10 електрона). Ситуацията беше така, сякаш положителният заряд имаше променлива маса или наистина имаше 20 електрона, но 10 от тях бяха вътре в сферата.
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html
Въведение
Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап в развитието на съвременната физика. Първата информация за структурата на атома е получена чрез изучаване на процесите на преминаване на електрически ток през течности. През тридесетте години на XIX век. Експериментите на изключителния физик М. Фарадей предполагат, че електричеството съществува под формата на отделни единични заряди. Откриването на спонтанния разпад на атомите на някои елементи, наречено радиоактивност, стана пряко доказателство за сложността на структурата на атома.
През 1902 г. английските учени Ърнест Ръдърфорд и Фредерик Соди доказват, че по време на радиоактивен разпад атомът на урана се превръща в два атома - атом на торий и атом на хелий. Това означаваше, че атомите не са неизменни, неразрушими частици.
Развитието на изследванията на радиоактивното излъчване, от една страна, и квантовата теория, от друга, доведе до създаването на квантовия модел на Ръдърфорд-Бор на атома. Но създаването на този модел беше предшествано от опити за изграждане на модел на атома, основан на концепциите на класическата електродинамика и механика. През 1904 г. се появяват публикации за структурата на атома, някои от които принадлежат на японския физик Хантаро Нагаока, други на английския физик Д.Д. Томсън.
Нагаока представи структурата на атома като подобна на структурата на Слънчевата система: ролята на Слънцето се играе от положително заредената централна част на атома, около която „планети“ - електрони - се движат в установени пръстеновидни орбити. При леки премествания електроните възбуждат електромагнитни вълни.
В атом на Томсън положителното електричество се „разпределя“ върху сфера, в която са вградени електрони. В най-простия водороден атом електронът се намира в центъра на положително заредена сфера. В многоелектронните атоми електроните са подредени в стабилни конфигурации, изчислени от Томсън. Томсън разглежда всяка такава конфигурация, за да определи химичните свойства на атомите. Той направи опит да обясни теоретично периодичната система от елементи от D.I. Менделеев. По-късно Бор посочи, че след този опит идеята за разделяне на електроните в атома на групи става отправна точка.
Но скоро се оказа, че нови експериментални факти опровергават модела на Томсън и, напротив, свидетелстват в полза на планетарния модел. Тези факти са открити от Ръдърфорд. На първо място, трябва да се отбележи откриването на ядрената структура на атома.
Основата на съвременната теория за електронната структура на атомите беше планетарният модел на атома на Нилс Бор.
Целта на резюмето: да се отрази процесът на еволюция на идеите за структурата на атомите, като се използват примерите на моделите на Ърнест Ръдърфорд и Нилс Бор.
Цели на резюмето: изучаване, анализиране, обобщаване на идеите за структурата на атомите, изразени от Е. Ръдърфорд и Н. Бор, направете изводи за най-правилното предположение от гледна точка на съвременната физика. В процеса на работа са използвани различни видове източници: учебници на С. Х. Карпенков и Т.И. Трофимова, предназначена за висше образование. Те разказват на достъпен език историята на възникването и развитието на знанията за структурата на атома. Този подход е продиктуван от желанието за изследване на проблема в цялата му сложност.
Атомна структура
Атом (от гръцки atomos - неделим) е частица от вещество с микроскопични размери и много малка маса (микрочастица), най-малката част от химичния елемент, която е носител на неговите свойства. Всеки елемент съответства на определен вид атом, обозначен със символа на елемента (например водороден атом H, железен атом Fe; живак атом Hg; уранов атом U).
Според съвременните концепции атомът е сложна система, състояща се от положително заредено ядро и електрони, заобикалящи ядрото.
Ядрото е централната част на атома, в която е концентрирана почти цялата маса на атома и неговия положителен електрически заряд. Всички атомни ядра се състоят от елементарни частици: протони и неутрони, които се считат за две зарядни състояния на една частица - нуклон. Протонът има положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на заряда на електрона. Неутронът няма електрически заряд.
Електроните около ядрото на атома са отрицателно заредени микрочастици с маса ~ 5∙10 -4 единица атомна маса и заряд от -1,6 ∙ 10 -19 K (-1). Тъй като масата на електрона е незначителна в сравнение с масата на протона или неутрона, масата на атома е практически равна на масата на ядрото му, т.е. сумата от масите на протоните и неутроните. Броят на електроните в един атом е равен на броя на положително заредените протони, които изграждат ядрото.
Размерите на атома като цяло се определят от размерите на неговата електронна обвивка и са големи в сравнение с размерите на атомното ядро. Електронните обвивки на атома нямат строго определена граница; стойностите на атомните размери зависят в по-голяма или по-малка степен от методите за тяхното определяне и са много разнообразни
През 1911 г. английският учен Ърнест Ръдърфорд предлага „планетарен“ модел на атома, според който Ръдърфорд поставя в центъра на атома малко, но много плътно ядро, в което е концентрирана почти цялата маса на атома, и електроните се въртят около него в определени орбити, като планетите около Слънцето.
Тогава се оказа, че всеки електрон се движи около ядрото толкова бързо, че не само не може да се изследва с най-мощния микроскоп, но дори е невъзможно да си го представим като точка, движеща се по определена траектория. Електронът е, така да се каже, „размазан“ в пространството и образува електронен облак, като формата на електронния облак може да бъде различна.
В момента са известни четири форми на електронни облаци: s-електрони (сферична форма на електронния облак); p-електрони (форма на електронен облак - дъмбел или осмица); d-електрони; f електрони.
Модели на Ръдърфорд и Бор
През 1911 г. английският физик Ърнест Ръдърфорд, докато изучава движението на алфа частици в газове и други вещества, открива положително заредена част от атома. Допълнителни по-задълбочени изследвания показват, че когато лъч от успоредни лъчи преминава през слоеве газ или тънка метална плоча, вече не се появяват успоредни лъчи, а донякъде разминаващи се: алфа частиците се разпръскват, т.е. те се отклоняват от първоначалния път. Ъглите на отклонение са малки, но винаги има малък брой частици (около една на няколко хиляди), които се отклоняват много силно. Някои частици се изхвърлят обратно, сякаш са се натъкнали на непроницаема бариера. Това не са електрони - тяхната маса е много по-малка от масата на алфа частиците. Отклонение може да възникне при сблъсък с положителни частици, чиято маса е от същия порядък като масата на алфа частиците. Въз основа на тези съображения Ръдърфорд предлага ядрен (планетарен) модел на структурата на атома.
„В центъра на атома има положително заредено ядро, около което се въртят електрони в различни орбити. Центробежната сила, възникваща при тяхното въртене, се балансира от привличането между ядрото и електроните, в резултат на което те остават на определени разстояния от ядрото. Тъй като масата на електрона е незначителна, почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. Делът на ядрото и електроните, чийто брой е относително малък, представлява само незначителна част от общото пространство, заето от атомната система.
Схемата на структурата на атома, предложена от Ръдърфорд, или, както обикновено се казва, ядреният модел на атома, лесно обяснява феномена на отклонение на алфа частиците. Наистина размерът на ядрото и електроните е изключително малък в сравнение с размера на целия атом, който се определя от орбитите на най-отдалечените от ядрото електрони, така че повечето алфа частици летят през атомите без забележимо отклонение. Само в случаите, когато алфа-частицата се приближи много близо до ядрото, електрическото отблъскване я кара да се отклони рязко от първоначалния си път. По този начин изследването на разсейването на алфа частици постави основата на ядрената теория на атома. Но въпреки последователните разсъждения, моделът на Ръдърфорд не може да обясни всички свойства на атомите. По този начин, според законите на класическата физика, атом от положително заредено ядро и електрони, въртящи се в кръгови орбити, трябва да излъчват електромагнитни вълни. „Излъчването на електромагнитни вълни трябва да доведе до намаляване на потенциалния запас от енергия в системата ядро-електрон, до постепенно намаляване на радиуса на орбитата на електрона и падането на електрона върху ядрото. Но атомите обикновено не излъчват електромагнитни вълни, електроните не попадат върху атомните ядра, тоест атомите са стабилни. Опитите да се изгради модел на атома в рамките на класическата физика не доведоха до успех: моделът на Томсън беше опроверган от експериментите на Ръдърфорд, докато ядреният модел се оказа нестабилен електродинамично и противоречи на експерименталните данни. Преодоляването на възникналите трудности изисква създаването на качествено нова теория за атома.
Първият опит за изграждане на качествено нова теория за атома е направен през 1913 г. Датският физик Нилс Бор. Той си постави за цел да свърже в едно цяло емпиричните закони на линейните спектри, ядрения модел на Ръдърфорд на атома и квантовата природа на излъчването и поглъщането на светлината. Бор основава своята теория върху ядрения модел на Ръдърфорд. Той предположи, че електроните се движат около ядрото по кръгови орбити. Кръговото движение, дори при постоянна скорост, има ускорение. Това ускорено движение на заряда е еквивалентно на променлив ток, който създава променливо електромагнитно поле в пространството. За създаването на това поле се изразходва енергия. Енергията на полето може да се създаде поради енергията на кулоновото взаимодействие на електрона с ядрото. В резултат на това електронът трябва да се движи по спирала и да падне върху ядрото. Опитът обаче показва, че атомите са много стабилни образувания. От това следва, че резултатите от класическата електродинамика, основана на уравненията на Максуел, не са приложими за вътрешноатомни процеси. Необходимо е да се намерят нови модели. Бор основава своята теория на два постулата.
Първият постулат на Бор (постулат за стационарни състояния): „в атома има стационарни (непроменливи с времето) състояния, в които той не излъчва енергия. Стационарните състояния на атома съответстват на стационарни орбити, по които се движат електрони. Движението на електрони в стационарни орбити не е придружено от излъчване на електромагнитни вълни. В стационарно състояние на атом, електрон, движещ се в кръгова орбита, трябва да има дискретни квантови стойности на ъглов момент, които отговарят на условието.
Вторият постулат на Бор (правило за честотата): „когато един електрон преминава от една стационарна орбита в друга, един фотон се излъчва (абсорбира) с енергия = En – Em, равна на разликата в енергиите на съответните стационарни състояния (En и Em са , съответно енергиите на стационарните състояния на атома преди и след излъчване и поглъщане). При En > Em възниква фотонна емисия (преход на атом от състояние с по-висока енергия към състояние с по-ниска енергия, т.е. преход на електрон от орбита, по-отдалечена от ядрото, към по-близка), при En< Em - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход атома на более отдалённую от ядра орбиту)».
Теорията на Бор брилянтно обяснява експериментално наблюдавания линеен спектър на водорода. Но успехите на теорията на водородния атом са постигнати с цената на изоставяне на основните принципи на класическата механика, която остава безусловно валидна повече от 200 години. Следователно прякото експериментално доказателство за валидността на постулатите на Бор, особено на първия - за съществуването на стационарни състояния - беше от голямо значение. Вторият постулат може да се разглежда като следствие от закона за запазване на енергията и хипотезата за съществуването на фотоните.
Германските физици Д. Франк и Г. Херц, изучавайки сблъсъка на електрони с газови атоми с помощта на метода на забавящия потенциал (1913 г.), експериментално потвърдиха съществуването на стационарни състояния и дискретността на стойностите на атомната енергия.
Въпреки несъмнения успех на концепцията на Бор по отношение на водородния атом, за който се оказа възможно да се изгради количествена теория на спектъра, не беше възможно да се създаде подобна теория за атома на хелий до водорода въз основа на теорията на Бор идеи. По отношение на атома на хелия и по-сложните атоми, теорията на Бор ни позволи да направим само качествени (макар и много важни) заключения. Идеята за определени орбити, по които се движи електрон в атом на Бор, се оказа много условна. Всъщност движението на електроните в атома няма много общо с движението на планетите в орбита.
Понастоящем с помощта на квантовата механика е възможно да се отговори на много въпроси относно структурата и свойствата на атомите на всякакви елементи.
Съвременни представи за структурата на атома
Двойствената природа на електрона, който притежава свойствата не само на частица, но и на вълна, е потвърдена експериментално през 1927 г., което кара учените да създадат нова теория за структурата на атома, която взема предвид и двете свойства. Съвременната теория за структурата на атома се основава на квантовата механика.
Двойствеността на свойствата на електрона се проявява в това, че той, от една страна, има свойствата на частица (има определена маса на покой), а от друга, движението му прилича на вълна и може да се опише с определена амплитуда, дължина на вълната, честота на трептене и т.н. Следователно не може да се каже за някаква конкретна траектория на движение на електрона - може само да се прецени една или друга степен на вероятност той да бъде в дадена точка на пространството.
Следователно електронната орбита трябва да се разбира не като определена линия на движение на електрона, а като определена част от пространството около ядрото, в която вероятността електрона да бъде най-голяма. С други думи, електронната орбита не характеризира последователността на движение на електрона от точка до точка, а се определя от вероятността да се намери електрон на определено разстояние от ядрото. В тази връзка електронът не е представен като материална точка, а сякаш е „размазан“ в целия обем на атома под формата на така наречения електронен облак, който има области на кондензация и разреждане на електрическия заряд. Идеята за електрон като някакъв облак от електрически заряд е удобна; той доста точно предава поведението на електрона. Трябва обаче да се има предвид, че електронният облак няма рязко очертани граници и дори на голямо разстояние от ядрото има възможност да остане електрон. За да се характеризира формата на електронния облак, беше въведено понятието орбитала вместо понятието орбита, именно за да не се бърка движението на електрона с движението на тялото в класическата физика. Въпреки това, когато се разглежда структурата на атома по опростен начин, понякога се запазва терминът орбита, въпреки че се помни специалната природа на движението на електрона в атома.
Съвременните представи за структурата на атома са подчинени на квантовия модел на структурата на атома, който отчита вълновите свойства на елементарните частици. Нека представим основните му положения.
Електронът има двойна (частично-вълнова) природа, т.е. се държи едновременно като частица и като вълна. Като частица електронът има маса и заряд; подобно на вълна, той има способността да се дифракционира.
Невъзможно е електронът да измери точно позицията и скоростта си едновременно.
Електронът в атома не се движи по определени траектории, но може да се намира във всяка част на перинуклеарното пространство, но вероятността той да бъде в различни части на това пространство не е еднаква. Областта от пространството, където е най-вероятно да се намира електрон, се нарича орбитала.
Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони, които имат общо наименование - нуклони.
Заключение
Основата на съвременната теория за структурата на атома е планетарният модел, допълнен и подобрен. Според тази теория ядрото на атома се състои от протони (положително заредени частици) и неврони (частици без заряд). А около ядрото електроните (отрицателно заредени частици) се движат по неопределени траектории.
Това изследване отразява процеса на еволюция на идеите за структурата на атомите, използвайки моделите на Ърнест Ръдърфорд и Нилс Бор като пример. Идеите за структурата на атомите, изразени от Ръдърфорд и Бор, са напълно проучени, анализирани и обобщени. От гледна точка на съвременната физика най-правилното предположение за структурата на атома е направено от датския учен Нилс Бор.
Така откритията на Ръдърфорд и Бор са фундаментални и от голямо значение за съвременната физика и за цялото човечество. Историята на науката учи, че всеки път, когато човечеството овладее следващото стъпало на стълбата, водеща към дълбините на материята, това води до откриването на нов, още по-мощен вид енергия.
Горенето и експлозията са свързани с пренареждането на молекулите. Вътрешноатомните процеси са съпроводени с отделяне на милиони пъти повече енергия. Още по-голямо освобождаване на енергия се получава на ниво елементарни частици. Какво ще се случи на следващите стъпки? Откритията на Ръдърфорд и Бор доказаха, че атомът не е неделима частица и дадоха възможност на съвременната физика да отговори на този въпрос.
Референции
1. Алексеев И. С. Развитие на идеи за структурата на атома. – М.: Наука, 2000.
2. Бочкарев А.И. Бочкарева Т.С., Саксонов С.В. Концепции на съвременното естествознание. - М.: Наука, 2008.
3. Горбачов В.В. Концепции на съвременното естествознание, - М.: Алфа-М, 2003.
4. Коренев Ю. Обща и неорганична химия, в 3 части. М.: Издателство на Московския университет, 2002 г.
5. Кудрявцев Л. С. Курс по история на физиката. – М.: Наука, 2006.
6. Карпенков С. Х. Концепции на съвременното естествознание. Учебник за ВУЗ. – М.: Академичен проект, 2000.
7. Трофимова Т. I. Курс по физика: учебник. - М.: Висше училище, 2007.
Атомното ядро е централната част на атома, заемаща само една трилионна част от неговия обем, но в която е концентрирана повече от 99,9 от неговата маса. Има форма, близка до сферична или леко удължена елипсовидна. Обемът му е пропорционален на масата, т.е. плътността е почти постоянна и много висока (около kg/m3), а радиусът се увеличава от най-леките ядра до най-тежките ядра от до m. Атомното ядро носи положителен заряд, кратно на абсолютната стойност на електронния заряд.
Най-простите ядрени трансформации са - и - разпад, когато в първоначалното състояние има една частица - „майчиното ядро“, а в крайното състояние - два продукта на разпадане. Има и по-сложни ядрени процеси, наречени ядрени реакции, когато две атомни ядра се сблъскват и в резултат на това се образуват едно или повече с преразпределение на нуклони между продуктите на реакцията. Съществува известна аналогия между ядрените и химичните реакции, поради което разделът на ядрената физика, който се занимава с изучаването на реакциите, понякога се нарича ядрена химия.
Най-тежкият елемент, открит в 92-та природа в забележими количества, е 92-ият елемент уран - уран, от който са известни три естествени изо- 234 U 235 U 238 U върха - 234 U, 235 U, 238 U. Въпреки това, той може да бъде получен изкуствено Z елементи с големи Z стойности, които трябва да бъдат разположени зад урана в таблицата на елементите. Те се наричат трансуранови елементи трансуранови елементи. Трансуранови елементи
98-gokalifornia Продължавайки по този път, е възможно да се получат още по-отдалечени трансуранови елементи. При продължително облъчване в реактора е възможно да се стигне до 98-ия елемент - Калифорния. Pu 238 U Въпреки това, с всеки нов етап количеството на полученото вещество рязко намалява. По време на една година облъчване в ядрен реактор е възможно да се преобразува около 1% от 238 U в Pu. Всяка следваща връзка в този процес ще даде приблизително същия добив. AZ В допълнение, с увеличаване на A и Z, конкурентната роля на -разпаданията и спонтанното (спонтанно) делене започва да има все по-силен ефект. Следователно този процес е неподходящ за получаване на много отдалечени трансуранови елементи.
Реакция със заредени частици Z За разлика от неутрона, тежка заредена частица, влизайки в ядрото, въвежда електрическия си заряд в него и по този начин директно променя стойността на Z. n 92 U 238 Pu Am 195 Pu 241 Така например в реакцията (, n) 92 U 238 незабавно произвежда Pu 241, който незабавно се разпада на 24 Am 195, докато според първия метод, за да се получи същият Pu 241, са необходими три последователни неутронни захващания и две събития на разпадане.
Ядрата с Z = са открити преди 1986 г. Z = 105 DubniumDb Отчитайки заслугите на изследователи от Дубна в откриването на голям брой изотопи на тежки елементи (), през 1997 г., с решение на Общото събрание на чистата и приложна химия, елементът с Z = 105 е даден на име Dubnium (Db). Нов етап в изследването на свръхтежките ядра започва през 1994 г., когато значително се повишава ефективността на откриване и се усъвършенства техниката за наблюдение на свръхтежки ядра - открити са изотопи на 110, 111 и 112 елемент. В момента има информация за регистриране на ядра от 114, 116 и дори 118 елемента.
Свойства на трансуранови елементи торий-лауренций Z=103 актиниди Химически всички елементи, започвайки с торий и завършвайки с лауренций (Z=103), образуват група от елементи, много сходни по своите свойства. По аналогия с групата на лантаноидите, тази група се нарича актиниди, тъй като те се намират в същата клетка на периодичната таблица след елемента актиний. Всички актиниди са типични метали. Въпреки значителното сходство, химическите свойства на актинидите също имат някои разлики, което прави възможно разделянето им един от друг с помощта на чисто химични методи. 104-тият елемент Kurchatovy 104-ият елемент - Kurchatovy вече е в следващата клетка на таблицата с елементи и неговите свойства са подобни на елементи като Ti, Zr, Hf.
Човечеството се е научило да използва верижната реакция на делене на тежки ядра по два начина: под формата на контролирана верижна реакция, реализирана в ядрен реактор за производство на енергия; под формата на неконтролирана верижна реакция, внедрена в ядрена бомба за военна употреба.
По химия за 11 клас (О. С. Габриелян, 2007 г.),
задача №9
към главата " § 1. Основни сведения за структурата на атома».
Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап в развитието на съвременната физика. В процеса на създаване на количествена теория за структурата на атома, която направи възможно обяснението на атомните системи, се формираха нови идеи за свойствата на микрочастиците, които се описват от квантовата механика.
Идеята за атомите като неделими най-малки частици от вещества, както беше отбелязано по-горе, възниква в древни времена (Демокрит, Епикур, Лукреций). През Средновековието учението за атомите, тъй като е материалистично, не получава признание. До началото на 18в. атомната теория набира все по-голяма популярност. По това време работите на френския химик А. Лавоазие (1743-1794), великия руски учен М.В. Ломоносов и английският химик и физик Д. Далтън (1766-1844) доказаха реалността на съществуването на атомите. По това време обаче въпросът за вътрешната структура на атомите дори не е възникнал, тъй като атомите се считат за неделими.
Голяма роля в развитието на атомната теория изигра изключителният руски химик Д.И. Менделеев, който през 1869 г. разработва периодичната система от елементи, в която за първи път на научна основа е поставен въпросът за единната природа на атомите. През втората половина на 19в. Експериментално е доказано, че електронът е една от основните части на всяко вещество. Тези заключения, както и множество експериментални данни, доведоха до факта, че в началото на 20 век. Сериозно възникна въпросът за структурата на атома.
Съществуването на естествена връзка между всички химически елементи, ясно изразена в периодичната система на Менделеев, предполага, че структурата на всички атоми се основава на общо свойство: всички те са тясно свързани помежду си.
Въпреки това до края на 19в. В химията господства метафизичното убеждение, че атомът е най-малката частица от простата материя, крайната граница на делимостта на материята. По време на всички химически трансформации само молекулите се унищожават и създават отново, докато атомите остават непроменени и не могат да бъдат разделени на по-малки части. Различни предположения за структурата на атома не са потвърдени от никакви експериментални данни от дълго време.
данни. Едва в края на 19в. бяха направени открития, които показаха сложността на структурата на атома и възможността за трансформиране на едни атоми в други при определени условия. Въз основа на тези открития учението за структурата на атома започна бързо да се развива.
Първото косвено доказателство за сложната структура на атомите е получено при изследване на катодни лъчи, произведени по време на електрически разряд в силно разредени газове. Изследването на свойствата на тези лъчи доведе до заключението, че те представляват поток от малки частици, носещи отрицателен електрически заряд и летящи със скорост, близка до скоростта на светлината. С помощта на специални техники беше възможно да се определи масата на катодните частици и големината на техния заряд и да се установи, че те не зависят нито от естеството на газа, оставащ в тръбата, нито от веществото, от което електродите или при други експериментални условия. Освен това, катодните частици са известни само в заредено състояние и не могат да бъдат лишени от зарядите си и превърнати в електрически неутрални частици: електрическият заряд е същността на тяхната природа. Тези частици, наречени електрони, са открити през 1897 г. от английския физик Дж. Томсън.
Изследването на структурата на атома практически започва през 1897-1898 г., след като окончателно е установена природата на катодните лъчи като поток от електрони и са определени зарядът и масата на електрона. Томсън предложи първия модел на атома, представяйки атома като струпване на материя с положителен електрически заряд, в който има толкова много електрони, че го превръща в електрически неутрална формация. В този модел се предполагаше, че под въздействието на външни влияния електроните могат да осцилират, тоест да се движат с ускорена скорост. Изглежда, че това направи възможно да се отговори на въпроси относно излъчването на светлина от атоми на материята и гама лъчи от атоми на радиоактивни вещества.
Моделът на атома на Томсън не предполага положително заредени частици вътре в атома. Но как тогава можем да обясним излъчването на положително заредени алфа частици от радиоактивни вещества? Атомният модел на Томсън не отговори на някои други въпроси.
През 1911 г. английският физик Е. Ръдърфорд, докато изучава движението на алфа частици в газове и други вещества, открива положително заредена част от атома. Допълнителни по-задълбочени изследвания показват, че когато лъч от успоредни лъчи преминава през слоеве газ или тънка метална плоча, вече не се появяват успоредни лъчи, а донякъде разминаващи се: алфа частиците се разпръскват, т.е. те се отклоняват от първоначалния път. Ъглите на отклонение са малки, но винаги има малък брой частици (около една на няколко хиляди), които се отклоняват много силно. Някои частици се изхвърлят обратно, сякаш са се натъкнали на непроницаема бариера. Това не са електрони - тяхната маса е много по-малка от масата на алфа частиците. Отклонение може да възникне при сблъсък с положителни частици, чиято маса е от същия порядък като масата на алфа частиците. Въз основа на тези съображения Ръдърфорд предложи следната схема на структурата на атома.
В центъра на атома има положително заредено ядро, около което се въртят електрони в различни орбити. Центробежната сила, възникваща при тяхното въртене, се балансира от привличането между ядрото и електроните, в резултат на което те остават на определени разстояния от ядрото. Тъй като масата на електрона е незначителна, почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. Делът на ядрото и електроните, чийто брой е относително малък, представлява само незначителна част от общото пространство, заемано от атомната система. Схемата на структурата на атома, предложена от Ръдърфорд, или, както обикновено се казва, планетарният модел на атома, лесно обяснява феномена на отклонение на алфа частиците. Наистина размерът на ядрото и електроните е изключително малък в сравнение с размера на целия атом, който се определя от орбитите на най-отдалечените от ядрото електрони, така че повечето алфа частици летят през атомите без забележимо отклонение. Само в случаите, когато алфа-частицата се приближи много близо до ядрото, електрическото отблъскване я кара да се отклони рязко от първоначалния си път. По този начин изследването на разсейването на алфа частици постави основата на ядрената теория на атома.