Historia atomu

Jak spostrzegano atom?

Od najdawniejszych czasów człowiek zadawał sobie pytanie, czym jest materia, jaka posiada budowę i co stanowi jej istotny skład. Problem ten już w zaraniu cywilizacji stał się przedmiotem różnorakich spekulacji filozoficznych.

Greccy filozofowie przyrody pierwsi stworzyli podwaliny do teoretycznego ujęcia faktów. Oni też pierwsi wysunęli koncepcję tzw. pramaterii, czyli pierwiastka, elementu, żywiołu, z którego powstał istniejący świat. Tales z Miletu (ok.620 - ok.540 p.n.e.) dowodził, że tym pierwiastkiem pierwotnym jest woda, Heraklit z Efezu (ok.540 - ok.480 p.n.e.) upatrywał go w ogniu, zaś Anaksymenes z Miletu (ok.585 - ok.525 p.n.e.)- w powietrzu. Natomiast Leukippos i jego uczeń Demokryt głosili teorię atomową.

Leukippos urodził się przypuszczalnie w Milecie ok.480 r.p.n.e. Osiadł w południowej Tracji w jońskiej kolonii Abderze, gdzie założył szkołę filozoficzną. Był nauczycielem Demokryta. Demokryt pochodził z Abdery i tam umarł w późnej starości (ok.460 - ok.370 p.n.e.).

Leukippos wraz z Demokrytem stworzyli najpełniej rozbudowany system materialistyczny starożytności. Podstawą tego systemu była nauka o atomach. Według Leukkipposa w kosmosie istnieje tylko pełmia i próżnia, pierwsza nazywana bytem, druga niebytem. Pierwszy, pierwotny byt, tzw. principum stanowią atomy (słowo greckie "atomos" znaczy "niepodzielny"). Swiaty powstają wtedy, kiedy atomy pędzące w próżni tworza wzajemne skupienia, z których nastepnie tworzy się substancjagwiazd. Są one przyczynami istniejacych rzeczy jako ich tworzywo. Byt różnicuje tylko w rytmie, kontakcie i położeniu atomów. Dowodził on, że każda rzecz daje się rozdzielić nz poszczególne części, ale kresem tego podziału jest cząstka, działka najmniejsza, już niepodzielna - atom. Każde ciało składa sie z atomów i próżni, ale w żadnym atomie nie ma już próżni i na nim wszelki podział sie kończy.

Naukę Leukipposa szeroko rozbudował Demokryt. Głosił on:
"Prócz atomów i próżni wszystko pozostałe jest tylko myślą, a nie istnieniem. Atomy, nieskończone w liczbie i formie, swym ruchem - zderzeniami i powstałymi z tego obrotami tworzą świat widomy. Różnorodność przedmiotów zależy od różnej liczby, formy i porządku atomów, z których się one składają, a nie od rozmaitej jakości atomów, które działają na siebie jedynie cisnieniem i uderzeniami".

Wszystkie atomy posiadają wielkość i kształt i nimi różnią się między sobą. Ich własności elementarne odróżniają się od własności ciał będących skupiskami nieskończonej liczby atomów. Cechy zewnętrzne tych ciał, takie jak barwa, ciepło, zimno, nie istnieją "obiektywnie", stanowią tylko "subiektywną" reakcję zmysłów człowieka i jego świadomości na kształt, ruch, szyk, i pozycję skupisk atomowych występujących w ciałach. Demokryt przyznał atomom tylko dwie cechy, mianowicie wielkość i kształt, inny natomiast filozof, Epikur (341 - 270 p.n.e.) wyjaśniając ich ruch przypisał im jeszcze trzecią, tj. ciężar.

MODEL THOMSONA

W 1903 r. J.J. Thomson zaproponował następujący model atomu. Atom ma postać kuli równomiernie wypełnionej elektrycznym ładunkiem dodatnim, wewnatrz której znajduje się elektron. Sumaryczny ładunek dodatni kuli równy jest ładunkowi elektronu, tak więc atom jako całość jest obojętny elektrycznie.

Natężenie pola wewnątrz równomiernie naładowanej kuli opisane jest wyrażeniem
gdzie e - ładunek kuli, R - jej promień. Zatem na elektron, znajdujący się w odległości r od położenia równowagi (od środka kuli), będzie działać siła

W takich warunkach elektron, wyprowadzony w jakiś sposób z położenia równowagi, będzie oscylował z cząstością
(e - ładunek elektronu, m - masa elektronu, R - promień atomu). Możemy posłużyć się tym związkiem do oszacowania wymiarów atomu. Zgodnie z powyższym wzorem

Długość fali l=6000 A (zakres widzialny widma) odpowiada w=3*1015 s-1. Zatem otrzymana wartość równa jest - co do rzędu wielkości - gazokinetycznym wymiarom atomów, co można by było uważać za potwierdzenie modelu Thomsona. Jednakowoż w późniejszych badaniach wykazano bezpodstawność tego modelu, tak więc obecnie ma on jedynie znaczenie historyczne jako jeden z etapów rozwoju wiedzy o budowie atomów.

MODEL RUTHERFORDA

Rozkład dodatnich i ujemnych ładunków w atomie może być wyznaczony doświadczalnie za pomocą bezpośredniego "sondowania" wnętrza atomu. Takie sondowanie przeprowadził E. Rutherford razem ze współpracownikami za pomocą cząstek a; obserwowali oni zmianę kierunku ich lotu (rozproszenie) przy przechodzeniu przez cienka warstwę materii.

Przypomnijmy, że cząstkami a nazywamy cząstki emitowane przez niektóre substancje podczas rozpadu promieniotwórczego. Cząstki a mają prędkości rzędu 107 m/s. W momencie. gdy Rutherford przystępował do swoich doświadczeń, wiadomo było, że cząstka a ma ładunek dodatni równy podwojonemu ładunkowi elementarnemu i że tracąc ten ładunek (poprzez przyłączenie dwu elektronów) cząstka a przekształca się w atom helu.
Doświadczenie przeprowadzono w następujący sposób.

Wydzielona za pomocą otworu wąska wiązka cząstek a, emitowanych przez promieniotwórczą substancje R, padała na cienką folię metalową F. Przy przechodzeniu przez folię tor cząstki a odchylał się od początkowego kierunku o różne kąty q. Rozproszone cząstki a uderzały w ekran E pokryty siarczkiem cynku, wywołane przez nie scyntylacje obserwowano przez mikroskop M. Mikroskop i ekran można było obracać wokół osi przechodzącej przez środek folii i ustawić pod dowolnym katem q. Całe urządzenie umieszczone było w komorze próżniowej celem uniknięcia rozpraszania cząstek a związanego ze zderzeniami z cząstkami powietrza.

Okazało się, że pewna liczba cząstek a rozpraszana jest pod bardzo dużymi katami (prawie 180o). Po przeanalizowaniu wyników Rutherford doszedł do wniosku, że tak silne odchylanie cząstek a możliwe jest jedynie w przypadku, gdy wewnątrz atomu występuje nadzwyczaj silne pole elektryczne wytwarzane przez ładunek związany z dużą masą i skoncentrowany w bardzo małej objetości. Opierając się na tym wniosku Rutherford w 1911 r. zaproponował jądrowy model atomu. Według Rutherforda atom ma postać układu ładunków, w którego środku znajduje się ciężkie dodatnio naładowane jądro o ładunku Ze, o wymiarach nie przekraczających 10-14 m, a wokół jądra w całej objętości zajmowanej przez atom rozmieszczone jest Z elektronów. Prawie cała masa aromu skupiona jest w jadrze.

Rozwijając teorie rozpraszania cząstek a Rutherford założył dalej, że cząstki a oraz jądro stanowia ładunki punktowe oraz, że prawo Coulomba i prawa mechaniki newtonowskiej są słuszne również dla małych odległości. Zgodnie z tymi założeniami między cząstką a jądrem działa siła odpychania gdzie r oznacza odległość cząstki a od jądra atomu folii. Z praw mechaniki wynika, że pod wpływem tego rodzaju siły tor cząstki a ma kształt hiperboli.

Siła odpychająca działa równocześnie na cząstkę, a i na jądro atomu, ponieważ jednak jądro złota (Z = 47) ma masę wiele razy większą od masy cząstki, a więc można przyjąć, że jądro pozostaje w spoczynku. Jeżeli cząstka a porusza się dokładnie w kierunku jądra, to siła hamująca będzie narastać w miarę zbliżania się cząstki a do jądra aż do do chwili jej zatrzymania, po czym rozpocznie sie odpychanie, czyli ruch przyspieszony cząstki a w kierunku przeciwnym, wzdłuż tej samej prostej, po której cząstka zbliżała się do jądra, przy czym cały czas ruch cząstki a odbywa sie po linii prostej. w przypadku rozproszenia wstecznego następuje zmiana kierunku toru o 180o. Jest to przypadek bardzo rzadki, gdyż wówczas cząstka a musiałaby się poruszać wzdłuż prostej przechodzącej przez jądro, którego rozmiary są bardzo małe.

Cząstka a, lecąca dokładnie w kierunku jądra, dotarłaby do środka atomu na odległość, którą można wyznaczyć przyrównując energię kinetyczną czastki do energii potencjalnej oddziaływania cząstki a z jądrem w momencie całkowitego zatrzymania cząstki:
(rmin - minimalna odległość między środkami czastki a i jądra). Podstawiając Z = 47 (srebro), v = 107 m/s i ma = 4*1,66*10-27 kg = 6,6*10-27 kg, otrzymujemy

Tak więc wyniki doświadczeń nad rozpraszaniem cząstek a świadczą na korzyść zaproponowanego przez Rutherforda jądrowego modelu atomu. Jednakże ten model okazał się sprzeczny z prawami mechaniki klasycznej i elektrodynamiki. Ze względu na to, że układ nieruchomych ładunków nie może być stabilny, Rutherford zmuszony był zrezygnować ze statycznego modelu atomu i założyć, że elektrony poruszają się wokół jądra po zakrzywionych trajektoriach. Ale w tym przypadku elektron będzie poruszał się z przyspieszeniem, w związku z czym - zgodnie z elektrodynamiką klasyczną - powinien on nieprzerwanie emitować fale elektromagnetyczne. Procesowi emisji promieniowania towarzyszy strata energii, zatem elektron powinien w końcu spaść na jądro.

MODEL BOHRA

Jądrowy model atomu Rutherforda w połączeniu z klasyczną mechaniką i elektrodynamiką nie jest w stanie wyjaśnić ani stabilności atomu, ani charakteru widma atomowego. W 1913 r. duński fizyk Niels Bohr znalazł wyjście z powstałego tu impasu, co prawda, kosztem wprowadzenia założeń sprzecznych z klasycznymi wyobrazeniami. Przyjęte przez Bohra założenia zawarte są w dwóch sformułowanych przezeń postulatach.

1. Elektron nie może krążyc po dowolnej orbicie, lecz tylko po tych, dla których moment pędu elektronu jest wielokrotnością h/2p . Każdej orbicie odpowiada inny stan energetyczny atomu. Znajdując sie na orbicie dozwolonej elektron nie promieniuje energii. Orbity dozwolone zostały nazwane stacjonarnymi. Zakładając, że ruch elektronu odbywa się po orbicie kołowej pierwszy postulat Bohra można zapisać następująco gdzie n jest liczbą całkowitą.
2. Atom absorbuje lub emituje promieniowanie w postaci kwantu o energii hu przechodząc z jednego stanu energetycznego En do grugiego Ek (czyli przejściu elektronu z jednej orbity dozwolonej na inną). Różnica energii tych stanów atomów równa się energii wypromieniowanego kwantu

We wzorze tym En oznacza energie atomu w stanie początkowym, En - w stanie końcowym, u - jest częstotliwością emitowanego lub zaabsorbowanego promieniowania. Energia zostaje wypromieniowana, gdy En>Ek, pochłonięta zaś, jeżeli En<.Ek.

Podsumowanie
Opis: Modele budowy atomu: 1. Model Rutherforta - atomy przypominają miniatury układu słonecznego, elektrony poruszają się wokół jądra: A) jądro, B) elektron. 2. Model Bohra - aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie skwantowanych orbit elektronów: A) jądro, B) elektron, C) orbita elektronu. 3. Model Schrodingera - pomysł precyzyjnie określonych orbit elektronów został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony: A - orbital s: elektrony znajdują się w obszarach takich jak ten. Obszar zacieniony pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnej odległości.

Już atom jest bardzo mały, jednak jądro atomowe jest 10 tysięcy razy mniejsze niż atom, a kwarki i elektrony są przynajmniej 10 tysięcy razy mniejsze niż jądro. Nie wiemy dokładnie, jakie są rozmiary kwarków i elektronów; są one na pewno mniejsze niż 10-18 metra, i mogą być dosłownymi punktami Skala atomu.

Nowoczesny model atomu.
Elektrony są w ciągłym ruchu wokół jądra atomowego, protony i neutrony drgają w jego wnętrzu, a z kolei kwarki "wiercą się" niespokojnie wewnątrz protonów i neutronow.
Skala obrazka nie odpowiada rzeczywistości. Gdyby narysować atom w rzeczywistej skali, to dla protonów i neutronów o średnicy 1 cm średnice elektronów i kwarków byłyby mniejsze od grubości włosa, a średnica całego atomu byłaby większa niż długość 30 boisk do piłki nożnej! 99.999999999999% objętości atomu wypełnia pusta przestrzeń!