Οι ανακαλύψεις στον τομέα της ατομικής δομής έχουν γίνει ένα σημαντικό βήμα στην ανάπτυξη της φυσικής. Το μοντέλο του Ράδερφορντ είχε μεγάλη σημασία. Το άτομο ως σύστημα και τα σωματίδια που το αποτελούν έχουν μελετηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια και λεπτομέρεια. Αυτό οδήγησε στην επιτυχή ανάπτυξη μιας τέτοιας επιστήμης όπως η πυρηνική φυσική.
Αρχαίες ιδέες για τη δομή της ύλης
Η υπόθεση ότι τα γύρω σώματα αποτελούνται από τα μικρότερα σωματίδια έγινε στην αρχαιότητα. Οι στοχαστές εκείνης της εποχής αντιπροσώπευαν το άτομο ως το μικρότερο και αδιαίρετο σωματίδιο οποιασδήποτε ουσίας. Υποστήριξαν ότι δεν υπάρχει τίποτα στο σύμπαν μικρότερο από ένα άτομο. Τέτοιες απόψεις είχαν οι μεγάλοι αρχαίοι Έλληνες επιστήμονες και φιλόσοφοι - Δημόκριτος, Λουκρήτιος, Επίκουρος. Οι υποθέσεις αυτών των στοχαστών σήμερα ενώνονται με το όνομα "αρχαίος ατομισμός".
Μεσαιωνικές παραστάσεις
Οι εποχές της αρχαιότητας έχουν περάσει, και στο Μεσαίωνα υπήρχαν και επιστήμονες που έκαναν διάφορες υποθέσεις για τη δομή των ουσιών. Ωστόσο, η κυριαρχία των θρησκευτικών φιλοσοφικών απόψεων και η δύναμη της εκκλησίας σε εκείνη την περίοδο της ιστορίας βρίσκονται στη ρίζακατέστειλε κάθε προσπάθεια και φιλοδοξία του ανθρώπινου μυαλού για υλιστικά επιστημονικά συμπεράσματα και ανακαλύψεις. Όπως γνωρίζετε, η μεσαιωνική Ιερά Εξέταση συμπεριφέρθηκε πολύ εχθρικά με τους εκπροσώπους του επιστημονικού κόσμου εκείνης της εποχής. Μένει να πούμε ότι τα τότε λαμπρά μυαλά είχαν μια ιδέα που προερχόταν από την αρχαιότητα για το αδιαίρετο του ατόμου.
Μελέτες 18-19ου αιώνα
Ο 18ος αιώνας σημαδεύτηκε από σοβαρές ανακαλύψεις στον τομέα της στοιχειώδους δομής της ύλης. Σε μεγάλο βαθμό χάρη στις προσπάθειες επιστημόνων όπως ο Antoine Lavoisier, ο Mikhail Lomonosov και ο John D alton. Ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, μπόρεσαν να αποδείξουν ότι τα άτομα υπάρχουν πραγματικά. Όμως το ζήτημα της εσωτερικής τους δομής παρέμενε ανοιχτό. Το τέλος του 18ου αιώνα σηματοδοτήθηκε από ένα τόσο σημαντικό γεγονός στον επιστημονικό κόσμο όπως η ανακάλυψη του περιοδικού συστήματος χημικών στοιχείων από τον D. I. Mendeleev. Αυτή ήταν μια πραγματικά ισχυρή ανακάλυψη εκείνης της εποχής και σήκωσε το πέπλο πάνω από την κατανόηση ότι όλα τα άτομα έχουν μια ενιαία φύση, ότι σχετίζονται μεταξύ τους. Αργότερα, τον 19ο αιώνα, ένα άλλο σημαντικό βήμα προς την αποκάλυψη της δομής του ατόμου ήταν η απόδειξη ότι οποιοδήποτε από αυτά περιέχει ένα ηλεκτρόνιο. Το έργο των επιστημόνων αυτής της περιόδου προετοίμασε πρόσφορο έδαφος για τις ανακαλύψεις του 20ου αιώνα.
Πειράματα Thomson
Ο Άγγλος φυσικός John Thomson απέδειξε το 1897 ότι τα άτομα περιέχουν ηλεκτρόνια με αρνητικό φορτίο. Σε αυτό το στάδιο, οι ψευδείς ιδέες ότι το άτομο είναι το όριο της διαιρετότητας οποιασδήποτε ουσίας καταστράφηκαν τελικά. ΠωςΟ Τόμσον ήταν σε θέση να αποδείξει την ύπαρξη ηλεκτρονίων; Στα πειράματά του, ο επιστήμονας τοποθέτησε ηλεκτρόδια σε εξαιρετικά σπάνια αέρια και πέρασε ηλεκτρικό ρεύμα. Το αποτέλεσμα ήταν καθοδικές ακτίνες. Ο Thomson μελέτησε προσεκτικά τα χαρακτηριστικά τους και διαπίστωσε ότι είναι ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Ο επιστήμονας μπόρεσε να υπολογίσει τη μάζα αυτών των σωματιδίων και το φορτίο τους. Ανακάλυψε επίσης ότι δεν μπορούν να μετατραπούν σε ουδέτερα σωματίδια, αφού το ηλεκτρικό φορτίο είναι η βάση της φύσης τους. Έτσι ανακαλύφθηκαν τα ηλεκτρόνια. Ο Thomson είναι επίσης ο δημιουργός του πρώτου μοντέλου στον κόσμο της δομής του ατόμου. Σύμφωνα με αυτό, ένα άτομο είναι μια δέσμη θετικά φορτισμένης ύλης, στην οποία τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα. Αυτή η δομή εξηγεί τη γενική ουδετερότητα των ατόμων, αφού τα αντίθετα φορτία ισορροπούν μεταξύ τους. Τα πειράματα του John Thomson έγιναν πολύτιμα για την περαιτέρω μελέτη της δομής του ατόμου. Ωστόσο, πολλά ερωτήματα παρέμειναν αναπάντητα.
Rutherford Research
Thomson ανακάλυψε την ύπαρξη ηλεκτρονίων, αλλά δεν κατάφερε να βρει θετικά φορτισμένα σωματίδια στο άτομο. Ο Ernest Rutherford διόρθωσε αυτή την παρεξήγηση το 1911. Κατά τη διάρκεια πειραμάτων, μελετώντας τη δραστηριότητα των σωματιδίων άλφα στα αέρια, ανακάλυψε ότι υπάρχουν θετικά φορτισμένα σωματίδια στο άτομο. Ο Ράδερφορντ είδε ότι όταν οι ακτίνες περνούν μέσα από ένα αέριο ή μέσα από μια λεπτή μεταλλική πλάκα, ένας μικρός αριθμός σωματιδίων αποκλίνει απότομα από την τροχιά της κίνησης. Πετάχτηκαν κυριολεκτικά πίσω. Ο επιστήμονας το μάντεψεαυτή η συμπεριφορά εξηγείται από τη σύγκρουση με θετικά φορτισμένα σωματίδια. Τέτοια πειράματα επέτρεψαν στον φυσικό να δημιουργήσει το μοντέλο του Rutherford για τη δομή του ατόμου.
Πλανητικό μοντέλο
Τώρα οι ιδέες του επιστήμονα ήταν κάπως διαφορετικές από τις υποθέσεις που έκανε ο John Thomson. Τα μοντέλα των ατόμων τους έγιναν επίσης διαφορετικά. Η εμπειρία του Ράδερφορντ του επέτρεψε να δημιουργήσει μια εντελώς νέα θεωρία σε αυτόν τον τομέα. Οι ανακαλύψεις του επιστήμονα ήταν καθοριστικής σημασίας για την περαιτέρω ανάπτυξη της φυσικής. Το μοντέλο του Ράδερφορντ περιγράφει ένα άτομο ως έναν πυρήνα που βρίσκεται στο κέντρο και τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω του. Ο πυρήνας έχει θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο. Το μοντέλο του ατόμου του Rutherford υπέθεσε την περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα κατά μήκος ορισμένων τροχιών - τροχιών. Η ανακάλυψη του επιστήμονα βοήθησε να εξηγηθεί η αιτία της απόκλισης των σωματιδίων άλφα και έγινε η ώθηση για την ανάπτυξη της πυρηνικής θεωρίας του ατόμου. Στο μοντέλο του ατόμου του Rutherford, υπάρχει μια αναλογία με την κίνηση των πλανητών του ηλιακού συστήματος γύρω από τον ήλιο. Αυτή είναι μια πολύ ακριβής και ζωντανή σύγκριση. Επομένως, το μοντέλο Rutherford, στο οποίο το άτομο κινείται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιά, ονομάστηκε πλανητικό.
Έργα του Niels Bohr
Δύο χρόνια αργότερα, ο Δανός φυσικός Niels Bohr προσπάθησε να συνδυάσει ιδέες για τη δομή του ατόμου με τις κβαντικές ιδιότητες της φωτεινής ροής. Το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ τέθηκε από τον επιστήμονα ως βάση της νέας του θεωρίας. Σύμφωνα με τον Bohr, τα άτομα περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές. Μια τέτοια τροχιά κίνησης οδηγεί σε επιτάχυνσηηλεκτρόνια. Επιπλέον, η αλληλεπίδραση Coulomb αυτών των σωματιδίων με το κέντρο του ατόμου συνοδεύεται από τη δημιουργία και κατανάλωση ενέργειας για τη διατήρηση του χωρικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκύπτει από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια πρέπει κάποια μέρα να πέσουν στον πυρήνα. Αυτό όμως δεν συμβαίνει, κάτι που δείχνει τη μεγαλύτερη σταθερότητα των ατόμων ως συστημάτων. Ο Niels Bohr συνειδητοποίησε ότι οι νόμοι της κλασικής θερμοδυναμικής που περιγράφονται από τις εξισώσεις του Maxwell δεν λειτουργούν σε ενδοατομικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, ο επιστήμονας έθεσε στον εαυτό του καθήκον να αντλήσει νέα πρότυπα που θα ίσχυαν στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων.
Αξιώματα του Bohr
Σε μεγάλο βαθμό λόγω του γεγονότος ότι υπήρχε το μοντέλο του Rutherford, το άτομο και τα συστατικά του είχαν μελετηθεί καλά, ο Niels Bohr μπόρεσε να προσεγγίσει τη δημιουργία των αξιωμάτων του. Το πρώτο από αυτά λέει ότι το άτομο έχει στατικές καταστάσεις, στις οποίες δεν αλλάζει την ενέργειά του, ενώ τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιές χωρίς να αλλάζουν την τροχιά τους. Σύμφωνα με το δεύτερο αξίωμα, όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από τη μια τροχιά στην άλλη, η ενέργεια απελευθερώνεται ή απορροφάται. Είναι ίσο με τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών της προηγούμενης και των επόμενων καταστάσεων του ατόμου. Σε αυτή την περίπτωση, εάν το ηλεκτρόνιο μεταπηδήσει σε μια τροχιά πιο κοντά στον πυρήνα, τότε εκπέμπεται ενέργεια (φωτόνιο) και αντίστροφα. Παρά το γεγονός ότι η κίνηση των ηλεκτρονίων έχει ελάχιστη ομοιότητα με μια τροχιακή τροχιά που βρίσκεται αυστηρά σε κύκλο, η ανακάλυψη του Bohr παρείχε μια εξαιρετική εξήγηση για την ύπαρξη ενός βασισμένουφάσμα του ατόμου υδρογόνου. Περίπου την ίδια εποχή, οι φυσικοί Hertz και Frank, που ζούσαν στη Γερμανία, επιβεβαίωσαν τις διδασκαλίες του Niels Bohr σχετικά με την ύπαρξη στατικών, σταθερών καταστάσεων του ατόμου και τη δυνατότητα αλλαγής των τιμών της ατομικής ενέργειας.
Συνεργασία δύο επιστημόνων
Με την ευκαιρία, ο Ράδερφορντ δεν μπορούσε να προσδιορίσει το φορτίο του πυρήνα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι επιστήμονες Marsden και Geiger προσπάθησαν να ελέγξουν ξανά τις δηλώσεις του Ernest Rutherford και, ως αποτέλεσμα λεπτομερών και προσεκτικών πειραμάτων και υπολογισμών, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι είναι ο πυρήνας που είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του ατόμου και όλο το φορτίο του. συγκεντρώνεται σε αυτό. Αργότερα αποδείχθηκε ότι η τιμή του φορτίου του πυρήνα είναι αριθμητικά ίση με τον τακτικό αριθμό του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα στοιχείων του D. I. Mendeleev. Είναι ενδιαφέρον ότι ο Niels Bohr συνάντησε σύντομα τον Rutherford και συμφώνησε πλήρως με τις απόψεις του. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες εργάστηκαν μαζί για μεγάλο χρονικό διάστημα στο ίδιο εργαστήριο. Το μοντέλο του Rutherford, το άτομο ως σύστημα που αποτελείται από στοιχειώδη φορτισμένα σωματίδια - όλα αυτά ο Niels Bohr τα θεωρούσε δίκαια και άφησε για πάντα στην άκρη το ηλεκτρονικό του μοντέλο. Η κοινή επιστημονική δραστηριότητα των επιστημόνων ήταν πολύ επιτυχημένη και απέδωσε καρπούς. Καθένας από αυτούς ασχολήθηκε με τη μελέτη των ιδιοτήτων των στοιχειωδών σωματιδίων και έκανε σημαντικές ανακαλύψεις για την επιστήμη. Ο Ράδερφορντ αργότερα ανακάλυψε και απέδειξε την πιθανότητα πυρηνικής αποσύνθεσης, αλλά αυτό είναι ένα θέμα για άλλο άρθρο.
