Содержание
когда впервые придумали и доказали теорию, история
Атом представляет собой частицу вещества микроскопических размеров и массы. Она является наименьшей частью химического элемента и считается носителем его характеристик. В структуру этой частицы входят ядро и электроны. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Эта теория впервые была сформулирована древними греками, но сильно отличалась от современной. Так кто же именно открыл атом?
Содержание
Теории Демокрита
Атом представляет собой мельчайшую химически неделимую частицу вещества. Первым это понятие сформулировал древнегреческий ученый Демокрит еще в пятом-четвертом веках до нашей эры. Он считал, что характеристики конкретного вещества зависят от формы, веса и других особенностей формирующих его атомов.
При этом Демокрит утверждал, что в структуру твердых тел входят шероховатые частицы, которые позволяют веществам цепляться друг за друга. Вода же имеет гладкие атомы, за счет чего она течет.
Более того, ученый был уверен, что даже человеческая душа состоит из атомов. При этом о понятии ядра в те времена речи еще не шло.
Предположения Дальтона об атоме
Примерно до начала девятнадцатого века вопросами материи или субстанции занимались исключительно философы. Однако потом английский ученый Джон Дальтон сформулировал атомную теорию. Это произошло в 1803 году.
Дальтон был скрупулезным исследователем. Он занимался взвешиванием образцов множества газов и находил отличия в их массе. Так, ученому удалось установить, что газы, подобно твердым веществам и жидкостям, включают очень мелкие частицы. Исследователь назвал их атомами.
После чего он определил относительные массы частиц, входящих в состав известных ему элементов.
В результате своих экспериментов Дальтон выявил, что атомы разных веществ отличаются по свойствам и массе. Это легло в основу научного познания атомов.
В результате своих экспериментов Дальтон выявил, что атомы разных веществ отличаются по свойствам и массе. Это легло в основу научного познания атомов.Представление Томсона
В 1897 году британский исследователь Джозеф Томсон сделал устройство, которое позволяло проводить измерение отклонений катодных лучей в электрическом поле. Прибор включал стеклянную трубку и 2 электрода – анод и катод. С другой стороны трубку покрывало флуоресцирующее вещество. За счет этого она светилась под влиянием катодных лучей. Этот эксперимент дал возможность изучить строение частиц, которые входят в состав таких лучей.
Томсону удалось доказать, что в структуре катодных лучей присутствуют частицы с отрицательным зарядом, которые почти не имеют массы. Они получили название электронов. Впоследствии при помощи аналогичного устройства удалось открыть и другие частицы. Физик назвал их протонами. Их масса в 1823 раза превышала электроны. Они имели такое же значение заряда, но с положительным знаком.
Таким образом, английскому физику удалось обнаружить 2 частицы, которые входили в состав атома. К тому же он мог создавать его различные модели. Помимо этого, исследователь первым предположил, что в структуру атома входят элементарные частицы – электроны и протоны.
Томсон утверждал, что атом – это положительно заряженная сфера, которая имеет вкрапления электронов, имеющих отрицательный заряд. Другие ученые назвали его модель «сливовый пудинг», хотя она напоминала и булку с изюмом или арбуз с семечками.
При этом первые достоверные доказательства существования мельчайших частиц предоставил Альберт Эйнштейн в работе 1905 года, посвященной броуновскому движению. Однако эта проблема мало привлекала исследователя, поскольку он был погружен в создание теории относительности.
Как Резерфорд видел атомы
Самые важные достижения в формулировании атомной теории принадлежат Эрнесту Резерфорду. В 1910 году он занимался изучением рассеивания α-частиц, которые проходят через тонкую золотую фольгу и падают на свинцовый экран.
α-частицы представляли собой ядра атома гелия. Как правило, они слегка отклонялись от исходного направления.
При этом некоторые из них резко изменяли направление движения, как будто сталкивались с преградой. Отдельные элементы летели в прямо противоположном направлении. После проведения сложных расчетов ученый понял, что такая ситуация возможна только при наличии ядра в центральной части атома. В нем сконцентрирован весь положительный заряд частицы и его масса.
В 1911 году Резерфорд сформулировал планетарную модель строения атома. В его центре располагается ничтожное ядро, которое включает частицы с положительным зарядом. Вся масса частицы тоже сконцентрирована в ядре. Вокруг него по орбитам, напоминающим планетарные, вращаются электроны. Модель Резерфорда получилась весьма наглядной, однако сразу были обнаружены ее недочеты:
- Электрон крутится вокруг ядра при помощи центростремительной силы. Это означает, что он движется с ускорением. Поскольку электрон представляет собой еще и заряженную частицу, то спустя некоторое время он должен излучать энергию. Как следствие, электрону нужно упасть на ядро, а атому – прекратить свое существование. Однако этого не происходит.
- Атом гелия, к примеру, обладает массой, равной 4. Это в 4 раза больше массы одного протона. При этом атом включает всего 2 протона. Таким образом атомная теория Резерфорда была несколько ошибочной.
Как следствие, электрону нужно упасть на ядро, а атому – прекратить свое существование. Однако этого не происходит.В 1913 году во время исследований рентгеновских лучей Генри Мозли выдвинул предположение, что ядро, помимо протонов, включает нейтральные частицы. При этом их масса равна массе протона. Это предположение удалось подтвердить только в 1932 году. Это сделал Джеймс Чедвик.
В настоящее время совокупность протонов и нейтронов в атомном ядре называется нуклонами. При этом их массу именуют массовым числом. Протоны обозначаются как порядковый номер элемента. Также применяется термин «атомный номер».
Исследования Нильса Бора
В 1913 году датский исследователь Нильс Бор выдвинул собственную теорию строения атома. Он полностью не отрицал учение Резерфорда, однако внес в него ряд уточнений.
По мнению Бора, электроны вокруг ядра вращаются не произвольно, а по строго установленным орбитам. При этом они не поглощают и не выделяют энергию. Как следствие, Бор отмечает, что электроны в атоме не подчиняются закономерностям классической физики. Впоследствии вывода Бора были переработаны. В результате появилось новое направление в квантовой физике, объясняющее строение частиц.
Атомная теория была сформулирована еще в античные времена, но сильно отличалась от современной. С течением времени свои идеи по этому поводу высказывали многие исследователи. Они внесли много усовершенствований в теории друг друга. Это существенно повлияло на дальнейшее развитие науки.
Строение атома
Н. Бор, 1913 г.:
nλ = 2πrn, Разным разрешённым орбитам n соответствуют n = 1, 2, 3… Э. Резерфорд, 1914 г.: Электрический заряд атомного ядра в Размеры атома составляют несколько Химические свойства атомов, Z + N = A. Атомные ядра обладают магнитными моментами, где mp – масса протона. где me – масса электрона. Магнитные момента атомов в тысячи раз больше магнитных моментов Таблица 1 Характеристики протона, нейтрона и | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Дж. Томсон
Бора,
Эта частота ν не
53·10-8см.
И. Менделеева.
| Характеристика | Протон | Нейтрон | Электрон |
|---|---|---|---|
| Масса mс2, МэВ | 938.272 | 939.565 | 0.511 |
| Электрический заряд (в единицах элементарного заряда) | +1 | 0 | -1 |
| Спин J (в единицах ћ) | 1/2 | 1/2 | 1/2 |
| Чётность | +1 | +1 | +1 |
| Статистика | Ферми-Дирака | ||
| Магнитный момент (для нуклонов – в ядерных магнетонах, для электрона – в магнетонах Бора) | +2. 79 | –1.91 | +1.001 |
| Время жизни | > 1032 лет | 885.7±0.8 с | > 4.6·1026 лет |
| Тип распада | стабилен | n → p + e− + | стабилен |
Протон, нейтрон и электрон являются фермионами, имеют спин
J = 1/2 и
подчиняются принципу Паули. Нейтрон имеет массу на 1.3 МэВ больше, чем протон,
поэтому в свободном состоянии он распадается на протон p,
электрон e− и
электронное антинейтрино
Кто впервые обнаружил, что атомы состоят из других частиц, и как это было обнаружено? | Научные ребята
июль 2002 г.
Структура атома всегда была одной из самых интригующих областей физических исследований.
Греческий философ Демокрит (460–370 гг. до н. э.) предположил, что все вещи состоят из маленьких неделимых частиц, называемых «атомами», что происходит от греческого слова «атомос», означающего «неделимый». Атомы Демокрита были разных размеров и могли соединяться или разделяться.
Эта идея крошечных неделимых частиц материи сохранялась до 1800-х годов. Джон Дальтон (1766-1844), великий химик, положил начало современной атомной гипотезе. Однако его атом был похож на твердый бильярдный шар. Позже Дж.Дж. Томсон (1856-1940), первооткрыватель электрона, предложил то, что мы называем «моделью атома со сливовым пудингом». В его модели атом представлял собой смесь равного количества положительных и отрицательных зарядов.
Основным экспериментальным свидетельством структуры атомов был эксперимент Резерфорда по рассеянию. Эрнест Резерфорд (1871-1919 гг.)37) занимался изучением рассеяния альфа-частиц листами металла и слюды. Некоторые радиоактивные вещества испускают альфа-частицы (очень массивные положительно заряженные частицы), и Резерфорд считал, что, изучая, как положительные альфа-частицы в пучке рассеиваются атомами материала, можно сделать вывод о внутренней структуре атома.
Ганс Гейгер, коллега Резерфорда, предложил их ученику Эрнесту Марсдену искать отклонения альфа-частиц через очень тонкую фольгу, будучи уверенным, что больших отклонений не произойдет. Действительно, большинство альфа-частиц почти не отклонялись. Но, к изумлению Резерфорда, Марсден обнаружил, что некоторые альфа-частицы возвращаются обратно сразу же после выстрела в тонкую золотую фольгу.
По словам Резерфорда, «это было самое невероятное событие, которое когда-либо случалось со мной в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся бы и попал в вас. » Единственный способ, которым альфа-частицы могли отскакивать обратно к «пушке», из которой они стреляли, — это если бы у атома было компактное положительно заряженное ядро. Случайная альфа-частица, движущаяся прямо к такому ядру, будет замедлена, остановлена и отскочит прямо назад из-за электромагнитных сил. Из работы Томсона Резерфорд знал, что атомы содержат электроны.
Однако теперь он нашел ядро атома, тем самым доказав, что у атома есть компоненты.
Сегодня мы знаем, что атом состоит из крошечного (10 -14 м) ядра, содержащего положительные заряды (протоны) и нейтральные частицы (нейтроны), которые состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг ядра в облачных объемах пространства, называемых в квантовой теории «орбиталями». Поскольку эти электронные облака (10 -10 м) в 10 000 раз больше радиуса ядра, атом представляет собой в основном пустое пространство. Более подробное обсуждение атома придется ждать от нетерпеливых читателей Inquiring Minds! Обязательно присылайте нам свои вопросы по физике.
Как мы выяснили, что атомы существуют?
Строгие соотношения элементов, которые объединяются в другие элементы, дали ученым ключ к пониманию того, что материя может состоять из отдельных составных частей, называемых теперь атомами.
(Изображение предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда НАСА)
Пол М.
Саттер — астрофизик по адресу Университет штата Огайо , ведущий « Спросите космический космос » и « Космическое радио , и авторы» .0024 Your Place in the Universe »(Prometheus Books, 2018). Саттер предоставил эту статью для Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights , John 80024 900ist Дальтон выдвинул очень убедительный аргумент, который привел к поразительному выводу: возможно, вся материя (т. в течение нескольких тысячелетий. Древние культуры, безусловно, осознавали общую идею о том, что материя состоит из более фундаментальных элементов (хотя они довольно сильно расходились во мнениях относительно того, что именно считать элементом), и знали, что эти элементы объединяются в интересные и плодотворные способы делать сложные вещи, такие как стулья и пиво.Но на протяжении тех тысячелетий оставался вопрос: если я выделил один элемент и разрубил его пополам, то разрубил эти половинки i n половина, и так далее, и так далее, смогу ли я в конце концов найти наименьший возможный фрагмент элемента, который я больше не смогу измельчить? Или это будет продолжаться бесконечно?
После долгих лет тщательных исследований Далтон обнаружил удивительную взаимосвязь между элементами.
Иногда два элемента могут объединяться, образуя различные соединения несколькими способами с разными соотношениями, например, олово и кислород. Но пропорции каждого элемента в различных сочетаниях всегда сводятся к очень небольшим числам. Если бы материя была бесконечно делима, без малейшего возможного кусочка, то следовало бы допустить любую пропорцию.
Вместо этого он обнаружил, что определенное количество одного элемента может сочетаться с таким же количеством другого элемента. Или с вдвое или втрое больше другого элемента. Дальтон везде и во всех случаях находил только простые пропорции. Если бы материя была в конечном счете неделима, если бы она состояла из атомов, то при соединении элементов допускались бы только простые пропорции и соотношения.
Изобилие масс
Сто лет спустя эта «атомарная» теория материи не казалась совершенно бессмысленной. Однако одним из самых сложных моментов в этом было то, что если атомы действительно существовали, то они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть.
Как вы можете доказать существование чего-то, что вы не можете наблюдать напрямую?
Один ключ к разгадке существования атомов пришел из недавно начатых исследований термодинамики . Чтобы понять, как работают тепловые двигатели — вместе со всеми сопутствующими понятиями, такими как температура, давление и энтропия — физики поняли, что они могут рассматривать газы и жидкости так, как будто они состоят из почти бесчисленного количества крошечных, даже микроскопических частиц. Например, «температура» действительно измеряет среднее движение всех этих частиц газа, ударяющихся о ваш термометр, передающих ему свою энергию.
Это было довольно убедительно, а Альберт Эйнштейн был большим поклонником такого рода физики. Как и все другие физики, поклонником которых он стал, Эйнштейн произвел в них революцию.
Его интересовала, в частности, проблема броуновского движения, впервые описанная еще в 1827 году Робертом Брауном (отсюда и название). Если вы бросите крупную крупинку в жидкость, объект начнет качаться и прыгать сам по себе.
И после нескольких тщательно проведенных экспериментов Браун понял, что это не имеет ничего общего с потоками воздуха или жидкости.
Броуновское движение было всего лишь одним из тех случайных необъяснимых фактов жизни, но Эйнштейн увидел в этом ключ к разгадке. Рассматривая жидкость как нечто, состоящее из атомов, он смог вывести формулу того, насколько бесчисленные столкновения частиц жидкости будут толкать эту крупинку. И, положив эту связь на прочную математическую основу, он смог обеспечить путь перехода от того, что вы можете видеть (сколько частиц перемещается за заданный промежуток времени), к чему-то, что вы не можете видеть (масса частиц). жидкости).
Другими словами, Эйнштейн дал нам способ взвесить атом.
И как только люди привыкли к размеру этих крошечных кусочков материи, думая, что это должны быть самые маленькие из возможных вещей, появился кто-то, чтобы усложнить это.
Параллельно с Эйнштейном работал удивительно одаренный экспериментатор по имени Дж.
Дж. Томсон. В конце 1800-х годов он пришел в восторг от призрачных лучей света, известных как катодные лучи. Если вы воткнете пару электродов в стеклянную трубку, высосете из трубки весь воздух, а затем повысите напряжение на электродах, вы получите шипучее свечение, которое, кажется, исходит от одного из электродов, точнее от катода. . Итак, катодные лучи.
Это явление вызвало вопросы у физиков. Что сделало свечение? Как заряды, которые в то время были известны как связанные с концепцией электричества, но в остальном загадочные, были связаны с этим свечением? Томсон взломал код: а) изготовил чертову лучшую вакуумную лампу, которая когда-либо была у кого-либо, и б) поместил весь аппарат в сверхсильные электрические и магнитные поля. Если заряды каким-то образом были замешаны в этом деле с катодными лучами, то вам лучше поверить, что они слушали эти поля.
Так и есть. Катодный луч будет искривляться под действием как электрического, так и магнитного полей. Очаровательный! Это означало, что светящийся кусочек был связан с самими зарядами; если бы свет был каким-то образом отделен от зарядов, то он пролетел бы прямо сквозь него, невзирая на помехи поля.
И это также означало, что катодные лучи сделаны из того же вещества, что и электричество.
Сравнивая величину отклонения луча в электрических полях и в магнитных полях, Томсон смог вывести некоторые математические данные и определить некоторые свойства этих зарядов. И вот где J.J. получил Нобелевскую премию: эти «корпускулы» (его слова) были примерно в 2000 раз меньше, чем водород, самый легкий известный элемент и, следовательно, самый маленький атом. Эти «электроны» (все остальные слова) были поистине замечательны.
Серебро и золото
Следующее поколение ученых должно было решить загадки, поднятые результатами Томсона. Самое главное: как что-то может быть меньше атома и что это значит для структуры самих атомов?
Бывший ученик Томсона Эрнест Резерфорд вместе со своими учениками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом решили пострелять по золоту, чтобы посмотреть, что произойдет. Ученые выбрали золото, потому что они могли делать очень тонкие листы материала, а это означало, что банда могла быть уверена, что они исследуют атомную физику.
И стреляли очень крошечными пулями: альфа-частицами, которые представляют собой заряженные атомы гелия. Эти частицы маленькие, тяжелые и быстрые — идеальные научные пули.
Пока исследователи занимались стрельбой по мишеням, большинство альфа-частиц плыли сквозь золото, как если бы это была папиросная бумага. Но время от времени частицы разлетались в случайном направлении. И однажды (примерно 1 из каждых 20 000 выстрелов, и да, ученые считали вручную) альфа-частица срикошетила от золота, ударив туда, откуда пришла.
Связанный: 5 самых изобретательных экспериментов в астрономии и физике
Удивительно! Что эти маленькие частицы говорили нам об атомах золота? Исследователи пришли к выводу, что единственное объяснение, которое имело смысл, заключалось в том, что подавляющая часть массы атома была сосредоточена в очень маленьком объеме. И это «ядро» должно быть заряжено положительно. Поскольку общий заряд атома должен быть нейтральным, электроны должны быть очень крошечными и плавать, вращаться или танцевать вокруг этого ядра в рыхлом облаке.
Итак, когда альфа-частицы прорываются сквозь нее, они почти всегда сталкиваются с пустым пространством. Но крайне неудачная частица может соскользнуть или, что еще хуже, столкнуться с ядром, резко изменив траекторию полета пули.
Таким образом, почти через сто лет после того, как Дальтон убедительно доказал существование неделимого атома, и в то самое время, когда Эйнштейн предложил способ прямого измерения этих атомов, Томсон и Резерфорд открыли, что атом вовсе не неделим. . Вместо этого он был сделан из еще более мелких кусочков.
Итак, одновременно с укреплением атомной теории мы впервые почувствовали вкус субатомного мира. Оттуда все стало намного грязнее.
- Ультрахолодные атомы дают представление о драматическом расширении ранней Вселенной
- Эти «жуткие» запутанные атомы сделали квантовые вычисления еще на один шаг ближе Мы выяснили, что вещество состоит из атомов?» в подкасте «Спроси космонавта», доступном на iTunes (открывается в новой вкладке) и в Интернете по адресу http://www. askaspaceman.com . Спасибо Биллу С. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Следуйте за нами в Твиттере @Spacedotcom и на Facebook .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами.
askaspaceman.com . Спасибо Биллу С. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Следуйте за нами в Твиттере @Spacedotcom и на Facebook . 