Rani modeli atoma

Uvod

• Hipoteza o postojanju atoma potvrñena nizom eksperimenata

• Katodne zrake, X-zrake, pojava radioaktivnosti, fotoefekat pokazuju da atom nije “atomos”-nedjeljiv

• Saznanje da elektroni, alfa-čestice i svjetlosni fotoni potiču iz atoma dovelo je do prvih ideja o grañi atoma- potreba za modelom atoma

Otkrića koja su prethodila prvim uspješnim modelima

atoma...

• 1897. je izmjerena vrijednost e/m za katodne zrake i nađeno da

su to negativno nabijene čestice, čija je masa oko 2000 puta

manja od najlakšeg atoma, atoma vodika.

• 1874. Stoney je došao do zaključka da je minimalni naboj nekog

jona oko 10-19 C. Taj naboj je nazvao elektron.

• U to vrijeme je bilo procijenjeno da je prečnik atoma oko 10-10

m, a elektrona oko sto hiljada puta manji (10-15 m).

Rani modeli atoma

• 1897. godine Thompson odredio e/m

• Tada je već bilo poznato da se

elektroni oslobañaju u termoelektronskoj emisiji iz zagrijanog metala kao i kod fotoelektričnog efekta.

• Još prije 1900. godine Bequerel je ustanovio da neki elementi emitiraju tzv. Beta-zrake, koje su u stvari elektroni. Iz svega ovoga je slijedilo da su elektroni bitan i neizostavan sastojak atoma.

J.J.Thomson u svojoj laboratoriji 1911.g.

Otkriće kanalnih zraka

• 1886 g. Goldstein u cijevima za gasno pra žnjenje otkriva “kanalne zrake”ili anodne zrake

Thomsonov model atoma

• Prvi pokušaj da se objasni graña

atoma je Thompsonov ili stati čki model atoma (1898 g.)

• Potraga za odnosom q/m za

poziotivne snopove – eksperimenti

u cijevima za električno pražnjenje-nije uspio

• Kugla u koju su utisnuti elektroni

baš kao što su šljive ili grožñice

utisnute u puding.

• Tako su u početku i nazvali ovaj

model atoma plum-puddingmodel. Thomson-ov plumb-pudding model atoma

(1911. G.)

Rani modeli atoma

1904, J. J. Thomson je predložio tzv. “puding od šljiva (plum pudding) model :

Negativno naelektrisane “šljive” (electroni) plivaju u pozitivno Naelektrisanom “pudingu”.

Thompsonov model

• Sila koja djeluje na elektron na rastojanju r od centra sfere čiji je radijus R proračunao Thompson na osnovu zakona elektrostatike

• Pretpostavka- zbog ravnomjernosti naelektrisanja u sferi radijusa r se nalazi samo dio od ukupnog pozitivnog naelektrisanja Ze koji je proporcionalan toj zapremini

33

33

4343

r

r rq Ze Ze

RR

π

π= =

Thompsonov model

• Po Gaussovom zakonu

• Zbog sferne simetrije ovog modela atoma električno polje je konstantno tj. ima intenzitet E po sfernoj površini

• =>

0

r

S

qEdS

ε=∫��

�

204rq

Erπε

=

Thompsonov model

• Uvrštavajući prvi izraz za qr u posljednji dobivamo:

304

ZeE r

Rπε=

Na elektron naboja e će djelovati sila

2

304

ZeF r kr

Rπε= =

2

304

Zek

Rπε=

Thompsonov model

• Sila F nastoji da privuče elektron ka centru atoma, uvodi se druga

odbojna sila izmeñu elektrona koja uravnotežuje privlačnu silu pa je atom u stanju ravnoteže

• Analogija sa harmonijskim oscilacijama (F=-kx u ravnoteži je sa F=mg)• Frekvencija oscilovanja je

• na osnovu statičkog modela elektroni bi trebali oscilovati oko ravnotežnih položaja frekvencijom:

1

2

k

mν

π=

1

2 e

k

mν

π= k je dato ranije

Thompsonov model

• Po Maxwellu naelektrisanje koje osciluje zrači EM valove iste frekvencije

• Očekivano- Zračenje iz atoma ima tu karakterističnu frekvenciju, ali mjerenja nisu zabilježila takvo zračenje

• Model se ipak zadržao skoro 13 godina

• Nedostajao je način da se odredi šta je unutar atoma zbog njegovih dimenzija sve dok nije izložen djelovanju alfa čestica u eksperimentu 1911. g. –Gajger i Marsden po ideji E. Raderforda

1904, Hantaro Nagaoka je predložio Saturn model :

Negativno naelektrisani elektroni rotiraju oko pozitivno središta.

** http://www.nararika.com/butsuri/kagakushi/genshi/genshiron.htm* http://www.wikipedia.org/

Raderfordov eksperiment

• Raderford je ispitivao radioaktivnost• Pokazao je da postoje bar dvije vrste zračenja iz uranijuma (alfa i

beta zračenje)• Alfa čestice- dvostruko jonizirani atomi He (He++)

Ernst Rutherford

• Rutherfordov model atoma –tzv. «planetarni model» nastao je na bazi rezultata niza eksperimenata koje su na kraju prve decenije 20.stoljeća sa izuzetnom posvećenošću radili mladi Rutherford-ovi saradnici Geiger i Mardsen.

Rutherford-ov eksperiment

• Eksperiment rasijanja alfa-čestica na folijama zlata čija je debljinabila 3x10-7m dao je neki broj rasijanja pod vrlo velikim uglom. Taj

rezultat je doveo do zaključka o jezgru – nukleusu atoma.

Rutherford’ova aparatura za rasijanjeα-čestica na folijama od zlata

• Izvor alfa-čestica je

radioaktivni element, npr. radijum. Kroz male

otvore na dvije olovne

ploče fokusira se tanki snop alfa-čestica koje se

zatim rasijavaju na

tankim folijama zlata. Pravci rasijanih alfa-

čestica se odreñuju na

osnovu scintilacija(svjetlucanja) na okolnim

zastorima.

Rutherford‘ov Model

1909, Ernest Rutherford je napravio eksperiment sa Au folijama :

α-zraci su se rasijavali na veoma tankim folijama Au.

* http://www.wikipedia.org/

Rezultati eksperimenata nisu mogli da se objasnesa Thomsonovim modelom,pa je prihvaćen Saturn

model.

→ Konstatovano je tzv. Rutherford’ovo rasijanje unazad.

Procijenjeno je da jezgro ima dimenziju

10 -14 m.

Rezultati Rutherford-ovih eksperimenata

a) Ako je atom kao u Thomsonov-om

modelu atoma (1903. god tzv. “statički model atoma”) alfa

čestice treba da se samo

neznatno otklone od prvobitne putanje

b) Eksperimenti su pokazali da se

neki broj alfa čestica snažno

otklanja što je dovelo do Rutherford’ovog modela atoma

(1911.god.), (tzv. “planetarni

model atoma )

Planetarni model atoma

• Model atoma vodika:

04 e

ev

m rπε=

2

08

eE

rπε= −

Brzina elektrona Ukupna energija elektrona

Planetarni model atoma

• Izraz za energiju znači:• 1. Da je elektron puno jače vezan uz atom ako su mu poluprečnici

kružnih orbita manji

• 2. Elektron je slobodan od veze sa jezgrom samo kada su jezgro i elektron na meñusobno beskonačnom rastojanju

• Negativna energija znači da jezgro i elektron formiraju vezan sistem tj. stabilnu konfiguraciju

• Poznato iz mjerenja- atom vodonika ima prečnik 10-10 m i da je elektron za jezgro vezan energijom od 13,6 eV

• 1 eV=1,6 * 10-19 J• Za -13,6 eV na osnovu izraza za ukupnu energiju dobivamo da je• r=0,53*10-10 m- odlično slaganje sa eksperimentom

Planetarni model atoma• Meñutim, Ruthefordov model je naišao na niz problema koji nisu bili objašnjivi

na bazi zakona klasične fizike.

Kretanje elektrona promjenjljivom brzinom (pravac brzine se mijenja) po kružnoj

stazi po zakonima klasične fizike znači kontinuiranu emisiju energije zbog čega bi

se elektron morao kretati po spiralnoj putanji koja bi ga na kraju sunovratila u jezgro u vremenu od jedne miliontnine sekunde. Došlo bi do kolapsa atoma!

Neodrživost Rutherford-ovog modela

• Prema klasičnoj fizici emitovani spektar bi bio kontinuiran a ne linijski

kakav se eksperimentalno konstatuje.

304

e

mrν

π πε=

Neodrživost planetarnog modela

• 1. Model predviña da su atomi nestabilni• 2. Model predviña da atomi emitiraju kontinuirane spektre zračenja

• Bez obzira na nedostatke, ogroman korak naprijed

• Ostalo je nejasno kakav to odnos izmeñu elektrona i jezgra omogućuje da su atomi stabilni i odakle linijski spektri pobuñenih atoma