Հիմնական նյութ

Դասընթաց․ (7-րդ դասարան. քիմիա) > Բաժին 1

Դաս 1: Ատոմ. ներածություն

Էլեկտրոնի և միջուկի հայտնաբերումը

«Google Classroom»

Թոմսոնի կաթոդային ճառագայթներով և Ռեզերֆորդի ոսկե փայլաթիթեղով փորձերը

Հիմնական դրույթներ

Ջ. Ջ. Թոմսոնի կաթոդային ճառագայթների խողովակով իրականացված փորձերը ցույց տվեցին, որ բոլոր ատոմները պարունակում են փոքր, բացասականապես լիցքավորված ներատոմային մասնիկներ կամ այլ կերպ ասած էլեկտրոններ:
Թոմսոնի առաջարկած՝ ատոմի կառուցվածքի չամիչով (սալորով) պուդինգի մոդելում բացասականապես լիցքավորված էլեկտրոնները ներառված էին դրականապես լիցքավորված «ապուրի» մեջ:
Ոսկու փայլաթիթեղի օգնությամբ Ռեզերֆորդի կատարած փորձը ցույց է տվել, որ ատոմը հիմնականում դատարկ տարածություն է՝ փոքր, խիտ, դրական լիցքավորված միջուկով:
Հիմնվելով այս արդյունքների վրա՝ Ռեզերֆորդն առաջարկեց ատոմի միջուկային մոդելը:

Ներածություն: Հիմնվելով Դալթոնի ատոմային տեսության վրա

Դալթոնի ատոմային տեսությունն ուսումնասիրելիս մենք քննարկել ենք հետևյալ դրույթները.

Բոլոր նյութերը բաղկացած են անբաժանելի մասնիկներից՝ ատոմներից, որոնք չեն կարող առաջանալ կամ ոչնչանալ:
Միևնույն տարրի բոլոր ատոմներն ունեն միևնույն զանգվածը և ֆիզիկական հատկությունները:
Միացությունները $2$ ‍ կամ ավել տարրերի ատոմների համակցությունն են:
Բոլոր քիմիական ռեակցիաներում տեղի է ունենում ատոմների վերադասավորում:

Դալթոնի գաղափարները հիմնարար են ժամանակակից ատոմային տեսության համար: Սակայն հետագայում պարզվեց, որ նրա հիմնական պնդումներից մեկը սխալ էր: Դալթոնը կարծում էր, որ ատոմները նյութի փոքրագույն մասնիկներն են՝ փոքր, ամուր գնդեր, որոնք այլևս չեն կարող տրոհվել: Այս ենթադրությունը պահպանվեց այնքան ժամանակ, մինչև ֆիզիկայի ոլորտում կատարված փորձերը ցույց տվեցին, որ ատոմները բաղկացած են ավելի փոքր մասնիկներից: Այս հոդվածում մենք կքննարկենք որոշ առանցքային փորձեր, որոնք թույլ տվեցին հայտնաբերել էլեկտրոնը և միջուկը:

Ջ. Ջ. Թոմսոնը և էլեկտրոնի հայտնագործումը

Ֆիզիկոս Ջ. Ջ. Թոմսոնը 19-րդ դարի վերջին սկսեց փորձարկումներ կատարել կաթոդային ճառագայթների խողովակներով: Կաթոդային ճառագայթների խողովակները հերմետիկ փակված ապակե խողովակներ են, որոնց միջից օդի մեծ մասը հեռացված է: Խողովակի մի ծայրում եղած երկու էլեկտրոդների միջև կիրառվում է բարձր լարում, ինչը հանգեցնում է մասնիկների փնջի հոսքի կաթոդից (բացասականապես լիցքավորված էլեկտրոդ) դեպի անոդը (դրականապես լիցքավորված էլեկտրոդ): Այդ խողովակները կոչվում են նաև կաթոդային ճառագայթների խողովակներ, քանի որ մասնիկների փունջը կամ «կաթոդային ճառագայթն» առաջանում է կաթոդի վրա: Այդ ճառագայթները կարող են հայտնաբերվել խողովակի մյուս ծայրում՝ անոդից այն կողմ տեղադրված հատուկ լուսարձակող (լյումինեսցենտ) նյութերով ներկված էկրանի միջոցով: Երբ այդ նյութերին բախվում են կաթոդային ճառագայթները, դրանք փայլատակում են կամ լույս են արձակում։

Ջ. Ջ. Թոմսոնի կաթոդային ճառագայթների խողովակի գծապատկերը: Փունջն առաջանում է կաթոդի վրա և անցնում անոդի ճեղքվածքով: Կաթոդային ճառագայթները շեղվում են բացասականապես լիցքավորված էլեկտրական թիթեղից դեպի դրականապես լիցքավորված էլեկտրական թիթեղը: Փունջը շեղվում է նաև մագնիսական դաշտի ազդեցության ներքո, և հենց շեղման չափն էլ Թոմսոնին թույլ տվեց որոշել այդ մասնիկների համար զանգված/լիցք հարաբերությունը: Նկարի աղբյուրը՝ Openstax, CC BY 4.0։

Մասնիկների հատկությունները ստուգելու համար Թոմսոնը կաթոդային ճառագայթների շուրջը տեղադրեց հակադիր լիցքավորված երկու էլեկտրական թիթեղ: Նա նկատեց, որ կաթոդային ճառագայթները բացասական լիցքավորված թիթեղից շեղվեցին դեպի դրական լիցքավորված թիթեղը: Սա ցույց տվեց, որ կաթոդային ճառագայթները բաղկացած են բացասական լիցք ունեցող մասնիկներից:

Խողովակի երկու կողմերում Թոմսոնը նաև մագնիսներ տեղադրեց և նկատեց, որ մագնիսական դաշտը ևս շեղում է կաթոդային ճառագայթները: Այս փորձերի արդյունքներն օգնեցին Թոմսոնին կաթոդային ճառագայթները կազմող մասնիկների համար որոշել զանգված/լիցք հարաբերությունը, ինչը հանգեցրեց հետաքրքրաշարժ բացահայտման․ յուրաքանչյուր մասնիկի զանգվածը շատ ավելի փոքր է, քան որևէ հայտնի տարրի ատոմի զանգվածը: Թոմսոնը կրկնեց իր փորձերը՝ որպես էլեկտրոդներ օգտագործելով տարբեր մետաղներ, և հայտնաբերեց, որ կաթոդային ճառագայթների հատկությունները մնում են անփոփոխ, անկախ նրանից, թե ինչ նյութից է պատրաստված կաթոդը: Այս փաստերի հիման վրա Թոմսոնը կատարեց հետևյալ եզրակացությունները.

Կաթոդային ճառագայթները բաղկացած են բացասականապես լիցքավորված մասնիկներից:
Այդ մասնիկները պետք է գոյություն ունենան որպես ատոմի մաս, քանի որ յուրաքանչյուր մասնիկի զանգվածը կազմում է ջրածնի ատոմի զանգվածի $\sim$ ‍ $\frac{1}{2000}$ ‍ մասը:
Այս ներատոմային մասնիկները կարող են պարունակվել բոլոր տարրերի ատոմներում:

Թոմսոնի՝ առաջին հայացքից հակասական թվացող հայտնագործություններն աստիճանաբար սկսեցին ընդունվել գիտնականների կողմից: Նրա կողմից հայտնաբերված էլեկտրոնային փնջի մասնիկներին ի վերջո տրվեց ավելի ծանոթ՝ էլեկտրոններ անվանումը: Էլեկտրոնի հայտնագործումը մերժեց Դալթոնի ատոմային տեսության՝ ատոմների անբաժանելի լինելու պնդումը: Էլեկտրոնների գոյությունը բացատրելու համար անհրաժեշտ էր ատոմի կառուցվածքի բոլորովին նոր մոդել :

Յուրացված գիտելիքի ստուգում: Ինչո՞ւ Թոմսոնը հանգեց այն եզրակացության, որ էլեկտրոնները կարող են պարունակվել բոլոր տարրերի ատոմներում:

Կաթոդային ճառագայթների խողովակների հետ իր փորձերի ընթացքում Թոմսոնը փորձեց օգտագործել տարբեր նյութերից պատրաստված կաթոդներ, որոնք մասնիկների աղբյուրն էին: Նա նկատեց, որ արձակվող մասնիկները նույնն են՝ անկախ նրանից, թե ինչ մետաղից է պատրաստված կաթոդը: Թոմսոնն ի վերջո եզրակացրեց, որ այդ մասնիկները պարունակվում են բոլոր տեսակի ատոմներում:

Չամիչով պուդինգի մոդելը

Թոմսոնը գիտեր, որ ատոմներն էլեկտրաչեզոք են: Հետևաբար նա ենթադրեց, որ էլեկտրոնների բացասական լիցքը չեզոքացնելու համար ատոմի ներսում պետք է լինի դրական լիցքի աղբյուր: Դա թույլ տվեց Թոմսոնին ատոմները նկարագրել որպես դրական լիցքավորված ապուրի մեջ լողացող բացասական մասնիկներ: Այս մոդելն ավելի հաճախ կոչվում է ատոմի չամիչով պուդինգի մոդել, քանի որ ատոմի կառուցվածքի նման նկարագրությունը շատ նման էր Անգլիայում տարածված աղանդերին (տե՛ս ստորև բերված նկարը):

Չամիչով պուդինգի մոդելի միջոցով էլեկտրոնները պատկերվում են որպես բացասական լիցք ունեցող մասնիկներ, որոնք ներկառուցված են դրական լիցքի ծովի մեջ: Թոմսոնի կողմից ատոմի համար առաջարկված կառուցվածքը Անգլիական աղանդերի՝ չամիչով պուդինգի նմանակն է (տե՛ս նկարը ձախից): Նկարի աղբյուրը՝ Openstax, CC BY 4,0։

Հաշվի առնելով ատոմի այժմ հայտնի իրական կառուցվածքը՝ այս մոդելը կարող է մի փոքր անբնական թվալ: Բարեբախտաբար, գիտնականները շարունակեցին ատոմի կառուցվածքի ուսումնասիրությունները՝ ստուգելով նաև Թոմսոնի առաջարկած՝ չամիչով պուդինգի մոդելի հիմնավորված լինելը:

Յուրացված գիտելիքի ստուգում: Թոմսոնն առաջարկեց ատոմի մի մոդել, որտեղ որոշակի բացասական լիցք ունեցող մասնիկները լողում էին դրական լիցքի ''ծովում'': Կարո՞ղ եք առաջարկել ատոմի կառուցվածքի մեկ այլ մոդել, որի օգնությամբ հնարավոր կլինի բացատրել Թոմսոնի կողմից իրագործված փորձի արդյունքները:

Ատոմի համար գոյություն ունեն բազմաթիվ մոդելներ, որոնց միջոցով կարելի է բացատրել Թոմսոնի ստացած արդյունքները: Այն ժամանակ առաջարկված մոդելներից կարելի է նշել Հանտարո Նագաոկայի «մոլորակային մոդելը», որում էլեկտրոնները պտտվում էին դրականապես լիցքավորված «մոլորակի» շուրջը, ինչպես Սատուռնի շուրջն առկա օղակները:

Էռնեստ Ռեզերֆորդը և ոսկու փայլաթիթեղով փորձը

Ատոմի պատմության մյուս շրջադարձային փորձը կատարել է նորզելանդացի ֆիզիկոս Էռնեստ Ռեզերֆորդը, որն իր հիմնական գործունեությունը ծավալել է Անգիայում և Կանադայում: Ոսկու փայլաթիթեղով իր հայտնի փորձի ժամանակ Ռեզերֆորդը բարակ

α

-մասնիկների (արտասանվում է՝ ալֆա-մասնիկներ) փունջ արձակեց դեպի մաքուր ոսկուց պատրաստված շատ բարակ փայլաթիթեղը: Ալֆա-մասնիկները հելիումի միջուկներ են

(_{2}^{4} {He}^{2 +})

, որոնք անջատվում են ռադիոակտիվ տրոհման ժամանակ: Այս փորձի ընթացքում Ռեզերֆորդը փոքրիկ անցք ունեցող կապարե տուփի մեջ տեղադրեց ռադիումի մի կտոր (ռադիոակտիվ մետաղ): Ճառագայթման մեծ մասը կլանվեց կապարի կողմից, սակայն

α

-մասնիկների մի բարակ փունջ անցավ նեղ անցքով դեպի ոսկու փայլաթիթեղը: Ոսկու փայլաթիթեղը շրջապատված էր հայտնաբերիչ էկրանով, որը պետք է առկայծեր, երբ

α

-մասնիկը հարվածեր դրան:

Կհավատաք, թե ոչ, բայց ոսկու օգտագործումն ամենևին Ռեզերֆորդի շռայլ ճաշակի արդյունքը չէր: Ոսկին օժտված է անհավանական մեծ կռելիությամբ, որն էլ թույլ է տալիս վերջինից պատրաստել շատ բարակ թիթեղներ: Ոսկուց պատրաստված ամենաբարակ թիթեղի լայնությունը փաստացի կարող է լինել

0, 00004 սմ

, որը հավասար է ընդամենը մի քանի հարյուր ատոմի հաստության: Հենց այսպիսի նուրբ և բարակ փայլաթիթեղ էր անհրաժեշտ, որ Ռեզերֆորդը հաջողությամբ իրականացներ իր փորձը: Եթե փայլաթիթեղն ավելի հաստ լիներ, ապա

α

-մասնիկները գուցե չկարողանային թափանցել դրա միջով:

Ռեզերֆորդի՝ ոսկե փայլաթիթեղով փորձի ժամանակ $α$ ‍-մասնիկների փունջը, որը հարվածում է ոսկե բարակ փայլաթիթեղին: Այդ $α$ ‍-մասնիկների մեծ մասը ուղիղ հետագծով անցնում էր ոսկու փայլաթիթեղի միջով, փոքր մասը թեթևակի շեղվում էր, իսկ ավելի փոքր մասն իր ճանապարհից շեղվում էր ավելի քան $90^{\circ}$ ‍–ով: Նկարի աղբյուրը՝ Openstax, CC BY 4.0։

Հիմնվելով Թոմսոնի չամիչով պուդինգի մոդելի վրա՝ Ռեզերֆորդը ենթադրեց, որ

α

-մասնիկների մեծ մասն ուղիղ հետագծով անցնելու է ոսկե փայլաթիթեղի միջով: Քանի որ չամիչով պուդինգի մոդելում դրական լիցքը ենթադրաբար տարածված էր ատոմի ամբողջ ծավալով, հետևաբար դրականապես լիցքավորված «ապուրի» էլեկտրական դաշտը պետք է շատ թույլ լիներ՝ համեմատաբար ավելի ծանր և արագ շարժվող

α

-մասնիկների վրա էական ազդեցություն ունենալու համար

Սակայն փորձի արդյունքները ցնցող էին: Մինչ գրեթե բոլոր

α

-մասնիկներն ուղիղ հետագծով անցնում էին ոսկու փայլաթիթեղի միջով, որոշ

α

-մասնիկներ (մոտավորապես յուրաքանչյուր

20

000

-ից

1

-ը) իրենց ճանապարհից շեղվում էին (բեկվում էին) ավելի քան

90^{\circ}

-ով: Ստացված արդյունքները Ռեզերֆորդը հետևյալ կերպ նկարագրեց. «Դա իմ կյանքում երբևէ պատահած ամենաանհավանական իրադարձությունն էր: Դա նույնքան անհավանական էր, որքան որ այն, եթե դուք ծխախոտի թղթի վրա կրակոց արձակիեք

38

սմ

տրամաչափի գնդով, այն հետ վանվի թղթից և գա հարվածի ձեզ:

Հիմնվելով ատոմի՝ չամիչով պուդինգի մոդելի վրա՝ ենթադրվում էր, որ ոսկու ատոմներում չկա այնքան խիտ ու ծանր մի բան, որը կարող էր $α$ ‍-մասնիկները շեղել իրենց ուղուց (տե՛ս ձախ նկարը): Այնուամենայնիվ, այն, ինչ դիտարկեց Ռեզերֆորդը, չէր համընկնում իր կանխատեսումների հետ (տե՛ս աջ նկարը)․ անհրաժեշտ էր ատոմի կառուցվածքի նոր մոդել:

Ատոմի միջուկային մոդելը

Հիմնվելով իր կողմից իրականացված փորձի արդյունքների վրա՝ Ռեզերֆորդն ատոմի կառուցվածքի վերաբերյալ հետևյալ եզրակացություններն արեց.

Դրական լիցքը պետք է տեղակայված լինի ատոմի շատ փոքր ծավալում և պարունակի ատոմի զանգվածի մեծ մասը: Սրա միջոցով բացատրվեց, թե ինչպես $α$ ‍-մասնիկների շատ փոքր մասը կտրուկ շեղվեց ենթադրաբար ոսկու միջուկի հետ տեղի ունեցող հազվադեպ բախման պատճառով:
Ատոմը պետք է բաղկացած լիներ հիմնականում դատարկ տարածությունից, քանի որ $α$ ‍-մասնիկների հիմնական մասն ուղիղ հետագծով անցավ ոսկու փայլաթիթեղի միջով:

Դա Ռեզերֆորդին ստիպեց առաջարկել ատոմի կառուցվածքի միջուկային մոդելը, որում ատոմը բաղկացած է շատ փոքր, դրականապես լիցքավորված միջուկից, որն էլ շրջապատված է բացասականապես լիցքավորված էլեկտրոններով: Շեղված

α

-մասնիկների քանակի վրա հիմնվելով՝ Ռեզերֆորդը հաշվարկեց, որ միջուկը զբաղեցնում է ատոմի ծավալի մի փոքր մասը:

Միջուկային մոդելը բացատրեց Ռեզերֆորդի կողմից իրականացված փորձի արդյունքները, սակայն հետագա հարցերի պատճառ դարձավ: Օրինակ՝ ի՞նչ են անում էլեկտրոններն ատոմում: Ինչո՞ւ չեն ընկնում միջուկի վրա, եթե հակադիր լիցքերը ձգում են միմյանց: Բարեբախտաբար, գիտությունը պատրաստ էր նման մարտահրավերի: Ֆիզիկոսները, որոնցից էր նաև Նիլս Բորը, շարունակում էին փորձեր իրականացնել ատոմի միջուկային մոդելը ստուգելու ուղղությամբ, որն ի վերջո վերածվեց ժամանակակից քվանտամեխանիկական մոդելի:

Ամփոփում

Ջ. Ջ. Թոմսոնի փորձը կաթոդային ճառագայթների խողովակների միջոցով ցույց տվեց, որ բոլոր ատոմները պարունակում են փոքր, բացասականապես լիցքավորված ներատոմային մասնիկներ կամ էլեկտրոններ:
Ատոմի համար Թոմսոնն առաջարկեց չամիչով պուդինգի մոդելը, որում բացասականապես լիցքավորված էլեկտրոնները ներկառուցված էին դրական լիցք ունեցող «ապուրի» մեջ:
Ռեզերֆորդի՝ ոսկու փայլաթիթեղի փորձը ցույց տվեց, որ ատոմը հիմնականում դատարկ տարածություն է՝ փոքր, խիտ, դրական լիցքավորված միջուկով:
Այս արդյունքների վրա հիմնվելով՝ Ռեզերֆորդն առաջարկեց ատոմի միջուկային մոդելը:

Հղումներ

Այս ուսումնական նյութը վերցված է հետևյալ հոդվածներից․

“Evolution of Atomic Theory” Openstax-ից, CC BY 4.0.
"Atomic Theory" UC Davis ChemWiki-ից, CC BY-NC-SA 3.0 US.

Փոփոխված հոդվածի արտոնագիրն է՝ CC-BY-NC-SA 4,0։

Հավելյալ հղումներ

Zumdahl, S.S., and Zumdahl S.A. (2003). Atomic Structure and Periodicity. In Chemistry (6th ed., pp. 290-94), Boston, MA: Houghton Mifflin Company.

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Key Experiments: How Do We Know the Nature of the Atom and Its Components? In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 54-55). Stamford, CT: Cengage Learning.

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: