ı
ı
Klasszikus atommodellek
„Ha egy világkatasztrófa következtében minden tudományos ismeretanyag megsemmisülne és csak egyetlenegy mondat maradna örökségül a következ civilizációra, mi lenne az a mondat, amely a legtömörebb megfogalmazásban a legtöbb információt sürítené magában? Úgy vélem ennek a mondatnak az atomok hipotézisét (vagy ha úgy tetszik, az atomok létezésének tényét) kellene tartalmaznia: azt, hogy minden dolog atomokból épül fel - állandóan mozgó kis részecskékb l, amelyek vonzzák egymást ha kis távolságra vannak, és taszítják egymást, ha egyiket a másikba préselik. ...ez a megállapítás hihetetlen mennyiség információt tartalmaz a világról, csupán egy kis logika és fantázia kell hozzá.” ő
Összeállította: CSISZÁR IMRE SZTE, Ságvári E. Gyakorló Gimnázium SZEGED, 2004. február
ı
Az egyik legnehezebb kérdés, amire már az ókori görög tudomány is megpróbált választ adni: mib l áll a világ?
Demokritosz
(Richard P. Feynman, Nobel-díjas fizikus)
Epikürosz
Kr.e. IV.sz. az atomokat különbözı horgokkal és kapcsokkal képzeli el. (kapcsok eltörnek: víz elpárolog - lecsapódik ???)
Kr.e. V.sz. A világot homogén szubsztanciájú oszthatatlan részecskék, atomok és a közöttük lévı őr alkotja. (atomosz = oszthatatlan)
Arisztotelész Kr.e. IV.sz. nem léteznek atomok az anyag folyamatosan osztható „horror vacui” elmélet
• atomok közt nincs minıségi különbség • a tárgyak különbsége atomjaik száma, nagysága, alakja és rendje szerinti különbségtıl függ • az atomok száma és alakja végtelen • nem beszél az atomok közti kölcsönhatásokról Demokritosz (460-370)
természetfilozófiai hipotézis Arisztotelész (Kr.e. 384-322)
a jelenségek oka az ıselemek, illetve az ıstulajdonságok arányának tetszıleges megváltozása.
1
Pierre Gassendi Daniel Sennert (1572-1637) német orvos
párolgás, szublimáció, oldódás magyarázatára nyúl vissza az atomfogalomhoz
a testeken belül is üres terek vannak, amelyekben az atomok mozognak
• az anyagok szaga is szükségszerően feltételezi, hogy az
igen kicsi részecskék elszabaduljanak belıle • elsırendő atomok, a tőz, a levegı, a víz és a földatomok • másodrendő atomok, melyek a négy elembıl képzett testek • a másodrendő atomok vegyüléseibıl képzıdhetnek újabb összetett testek
1624. augusztus 24-én Párizs vitaülést szerveznek, melynek célja az atomelmélet védelme → kudarc
Daniel Bernoulli
1738
a gáz száguldó apró részecskékbıl áll
(azaz a hı az anyag részecskéinek mozgásával magyarázható)
természettudományi hipotézis
Antoine Lavoisier 1790
az elem fogalma
(az elemeket sem fizikai sem kémiai módszerekkel nem lehet tovább bontani)
Joseph Proust
1799
állandó tömegviszonyok törvénye
John Dalton
1808
többszörös tömegviszonyok törv.
• kísérleti eredményeket az atomok létezésével magyarázta és bizonyította • ugyanazon elem atomjai minden tulajdonságban hasonlítanak egymáshoz • a különbözı elemek atomjai különbözıek • atomtömeg táblázat
Torricelli kísérlet
(1592-1655) francia pap
• atomok egy ısanyag legkisebb, tovább már nem osztható részecskéi • anyagilag azonosak, de nagyságuk, tömegük és alakjuk szerint különbözıek • az atomokból kis képzıdmények jöhetnek létre, amelyeket molekulának nevezett
Elfogadtatta az atomelméletet az egyházzal. Az általa felépített elméletben ugyanis az atomok mozgását nem a véletlen, hanem Isten irányítja és mint más földi dolgok, az atomok sem örökkévalók.
Állandó tömegviszonyok törvénye: Egy adott vegyületben az alkotórészek tömegaránya állandó, (pl. víz esetén 2:16) Többszörös tömegviszonyok törvénye: Ha két elem egymással többféle tömegarány szerint egyesül vegyületté, akkor az egyik elem változó mennyiségei, amelyek a másik elem állandó mennyiségével reagálnak, úgy aránylanak egymáshoz, mint az egészszámok. pl. nitrogén és oxigén ötféle tömegarány szerint alkot vegyületet:
Megnevezés
Jel
N (%) O (%)
mN:mO
mN:mO
Dinitrogén-oxid
N2O
63,7
36,3
1:0.57
1:1*0.57
Nitrogén-monoxid
NO
46,7
53,3
1:1.14
1:2*0.57
Dinitrogén-dioxid
N2O2
36,8
63,2
1:1.71
1:3*0.57
Nitrogén-dioxid
NO 2
30,4
69,6
1:2.28
1:4*0.57
Dinitrogén-pentaoxid
N2O5
25,9
74,1
1:2.85
1:5*0.57
John Dalton (1766-1844)
2
ő
Amadeo Avogadro 1811 azonos p, V, T - gázokban azonos számú részecske van
Michael Faraday Clausius, J. C. Maxwell, W. Thomson, L. Boltzmann Mengyelejev
1833 az elektromos töltés is „atomos” ≈1850 kinetikus gázelmélet
ThomsonThomson-féle atommodell (1904) J. J. Thomson
1897
elektron felfedezése
• a katódsugarak tanulmányozása során kimutatta, hogy azok kismérető, negatív töltéső részecskékbıl állnak, bármilyen atommal is végezzük el a kísérleteket
atomhipotézis → atomelmélet • az elektron minden anyagnak része, minden atomban jelen van.
1869 elemek periódusos rendszere (a növekvı atomtömeg szerint felsorakoztatott elemek tulajdonságaiban szakaszosság mutatkozik)
Dimitrij Ivanovics Mengyelejev (1834-1907)
ThomsonThomson-féle atommodell (1904) • Thomson elképzelése szerint az egészében véve semleges atom pozitív töltése egyenletesen oszlik el egy tömör – a kinetikus gázelméletnek megfelelıen – kb. 10 – 10 m sugarú gömbben. • Ennek belsejében vannak a pontszerő elektronok, hasonlóan ahhoz, amint a pudingban a mazsolák. • Ezért ezt a modellt „mazsolás puding modellnek” is szokás nevezni.
• Az elektron felfedezése nyomán szertefoszlott az atom oszthatatlanságába vetett hit. Joseph John Thomson (1856-1940)
ThomsonThomson-féle atommodell (1904) • Thomson elmélete szerint az elektronok a pozitív töltésfelhıben a középpontra szimmetrikusan helyezkednek el.
• Nagyszámú elektron esetében koncentrikus győrőrendszert alkotnak. (Ez már magában rejti az elektronok héjszerkezetét.) • Az elektronelrendezıdésnek ily módon ismétlıdı szakaszai vannak, ami már a periódusos rendszer magyarázatának a csíráját is magában hordozza.
3
ThomsonThomson-féle atommodell (1904) • Az elektronokat harmonikus (a kitéréssel egyenesen arányos) erı tartja egyensúlyi helyzetben. • Ha az atom egyensúlyát egy külsı erı megzavarja, akkor az elektronok rezegni kezdenek. • Az ily módon rezgı kötött elektronok segítségével magyarázta az atomok fénykibocsátását. • A modell matematikai megfogalmazásának felhasználásával sikerült olyan rezgésszámot kihozni, amely a fény frekvenciájának nagyságrendjébe esik. • J. J. Thomson kiemelkedı munkásságát 1906-ban Nobel-díjjal jutalmazták.
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) E. Rutherford
1909-1911:
szóráskísérlet
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) Lénárd Fülöp: az atom egy része valószínüleg üres! (vékony fémfólián keresztül ki tudta vezetni a katódsugárzást)
• az atomban a pozitív töltések nincsenek „elkenve”, mint azt Thomson gondolta, hanem bizonyos helyeken koncentrálódnak • A pozitív töltéső kis „anyagdarabkákat” dinamidoknak nevezte (dinamidmodell) • Ez adta az alapötletet Rutherford számára, hogy kísérletileg megvizsgálja, hogy mennyire „üres” az atom belseje, hogyan helyezkednek el benne a pozitív töltések.
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) • igen vékony (1µm) aranyfóliát bombáztak α -részecskékkel • az aranyfóliát szcintillációs lemezzel vették körül (α-rész. detektálása)
Ernest Rutherford (1871-1937)
4
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911)
• az α-részecskék legnagyobb része zavartalanul áthatolt a fólián, egyrészük eltérült és igen kis részük (kb. minden 10.000-dik) közel 180°-os eltérülést szenvedett
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) ő
„visszapattanni”)
• Az eredményt nem lehetett a Thomson-modellel magyarázni, hiszen az atom belül lényegében üres • Rutherford ezt a részt atommagnak nevezte el, s a szóródási képek elemzésével képes volt megbecsülni a méretét is (kb.10 –15m)
ı
ő
ő
ő
ı
ı
ő
ő
ı
ı
• A kísérletekbıl a szórócenrtumra levont következtetések: 1. pozitív töltés 2. igen kis térrészben koncentrált (minden 10000-dik szóródik vissza ) 3. nagy tömeg az α -részecskéhez képest (csak így tud róla ő
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) „ ... ezt a példát arra szeretném felhasználni, hogy bemutassam, milyen gyakran véletlenül bukkan az ember fontos eredményekre. Régebben vizsgáltam az α - részek szórását, és dr.Geiger a laboratóriumomban a részletek felderítésén fáradozott. Azt találta, hogy nehézfémekb l készült vékony lemezkéken a szórás általában kicsi, egy fok nagyságrend . Egy napon Geiger bejött hozzám, és azt kérdezte: „Nem gondolja, hogy a fiatal Marsden, akit most vezettek be a radioaktív módszerek alkalmazásába, kezdhetne egy kis kutatómunkát?” Magam is így gondoltam, és azt válaszoltam: „ Mért ne kereshetne nagy szögben szóródó a -részeket?” Bizalmasan elmondhatom önöknek, hogy nem hittem abban, hogy vannak egyáltalán ilyenek, mert tudtuk, hogy az α-részek nagyon gyors, nehéz részek, nagy energiával, és meg lehet mutatni, hogy ha a szórás egymást követ kis eltérülések felgyülemléséb l származó effektus, akkor kevéssé valószín , hogy egy αrész hátra szóródjon. Azután, úgy emlékszem, két vagy három nappal kés bb Geiger izgatottan jött hozzám. „Találtunk néhány hátrafelé szórt α - részt, mondta. Ez volt a leghihetetlenebb dolog, ami életem során történt velem. Csaknem annyira hihetetlen volt, mintha egy 15 colos gránáttal l ne valaki egy selyempapírra, és az visszapattanva eltalálna engem. Gondolkoztam a dolgon, és rájöttem, hogy ez a hátrafelé szórás egyetlen ütközés eredménye kell legyen, és amikor számításokat végeztem, láttam, hogy lehetetlen bármilyen hasonló nagyságrend hatást kapni annak feltételezése nélkül, hogy az atom olyan rendszer, mely tömegének nagy része egy nagyon kis magban van egyesítve. Ekkor támadt az a gondolatom, hogy az atomban egy kicsi, nagy tömeg töltéshordozó mag van. Matematikai úton meghatároztam, milyen törvénynek kell eleget tegyen a szórás, és azt kaptam, hogy egy adott szögben szórt részecskék száma arányos a fólia vastagságával, a mag töltésének négyzetével, és fordítva arányos a sebesség negyedik hatványával. Ezeket a következtetéseket Geiger és Marsden gyönyör kísérletsorozattal igazolta.”
5
RutherfordRutherford-féle atommodell (1911) • Egy Z rendszámú elem atomjának tömege túlnyomórészt a Z·e pozitív töltéső, kb. 10–15 m sugarú atommagban összpontosul • A mag körül körpályákon „kering” kb. 10–10 m távolságban a Z számú elektron, melyeket a mag elektrosztatikus vonzóereje tart körpályán.
Az elektron körpályán mozog, mely két egymásra merıleges harmonikus rezgés eredıjének tekinthetı. A rezgı dipólus elektromágneses hullámokat, azaz energiát bocsát ki, tehát az elektronoknak is ezt kellen tennie. Az energiakisugárzás miatt az elektron folytonosan energiát veszítene, így a maghoz egyre közelebbi pályán, vagyis spirális mentén mozogna egyre nagyobb sebességgel, és végül a magba zuhanna.
• Az e–-k hasonlóan helyezkednek el, mint ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül, ezért „naprendszer-modell” -nek nevezzük • Az Rutherford-féle atommodell alapvetı hiányossága, hogy egy ilyen atom nem lehet stabil, mert a körpályán keringı elektron az elektrodinamika törvényei értelmében energiát sugározna ki, így kb. 10 – 9 másodperc alatt spirális pályán a magba zuhanna.
6
