Еволюція наукової думки щодо будови атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

• ВСТУП
• РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА
• 1.1 Відкриття субатомних частинок
• 1.2 Рентгенівські промені
• 1.3 Радіоактивність
• РОЗДІЛ 2. ЕВОЛЮЦІЯ НАУКОВОЇ ДУМКИ ЩОДО БУДОВИ АТОМА
• 2.1 Перша модель атома Дж.Дж. Томсона
• 2.2 Планетарна модель Резерфорда
• 2.3 Атом Бора
• 2.4 Квантово-механічна модель
• ВИСНОВКИ
• СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
• ВСТУП

На протязі всього існування цивілізації людство робило спроби систематизувати знання про будову матерії. Аристотель вважав, що кожне тіло в своїй основі має чотири стихії: Воду, Вогонь, Повітря і Землю. Властивості тіл залежать від кількості співвідношення цих стихій в кожному з них. Цей погляд на будову матерії проіснував практично без змін до часів середньовічних алхіміків. А доцільні відповіді на всі ці питання людство не отримало і до тепер.

Однак, за останні сто років вченим вдалося сформулювати декілька теорій будови атома, які, можливо, не далекі від істини. Філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». Деякі з них стверджували, що речовина складається з дрібних часток, названих атомами. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М.В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.

Д.І. Менделєєв у своєму періодичному законі показав існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Наприкінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.

Вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 р., після того як була остаточно встановлена природа катодних променів, як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. З розвитком науки та техніки зроблені нові відкриття у галузі атомної фізики. Так звані нанотехнології основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями. Тому вчення про будову атома є актуальним і на сьогодні.

Метою курсової роботи є аналіз вивчення будови атома та його моделей в історичній концепції розвитку фізики.

Об'єктом є атом та його будова.

Предметом - дослідження будови атома.

Завданнями курсової роботи є :

1. Проаналізувати літературні джерела з теми дослідження;

2. Описати винаходи, що сприяли формулюванню гіпотези про складну будову атому;

3. Розглянути основні моделі, які розкривають складну будову атома та межі їх застосувань.

РОЗДІЛ 1. ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИНАХОДИ, ЯКІ СПРИЯЛИ ФОРМУВАННЮ ГІПОТЕЗИ ПРО СКЛАДНУ БУДОВУ АТОМА

1.1 Відкриття субатомних частинок

Електрон був першою субатомною частинкою, що була відкрита. Сам термін «електрон» запровадив у 1894 році Джордж Джонстоун Стоуні. Він вперше сформулював ідею про те, що природа складається із заряджених частинок ще в 1874 році.

Експериментально відкрити електрон вдалося у 1897 році Джозефу Джону Томсону в експериментах з катодними променями у вакуумних лампах. Вчений першим довів, що проміння складається з заряджених часток та визначив відношення заряду частки до її маси. Визначена Томсоном маса була в тисячі разів меншою, ніж маса атома водню, що свідчило про те, що електрон є субатомною частинкою.

В 1927 році Девісон і Джермер, а також незалежно від них Томсон, продемонстрували явище дифракції електронів, довівши, що електрон має як корпускулярні, так і хвильові властивості.

Отже, електрон -- це стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Він має негативний електричний заряд (е = ?1,6021892(46)Ч10-19 Кл) і масу ( me = 9,109554(906)Ч10?31 кг).[13,c.13]

Протон був відкритий Е. Резерфордом у 1919 році за допомогою експерементальної установки, схема якої показана на мал. 1. У герметичній посудині Э знаходилося джерело альфа - частинок К, перед джерелом розміщувався прозорий екран Ф, покритий сульфідом цинку. Коли із посудини відкачували повітря, альфа - частинки досягали екрана і спричиняли спалахи. Ці спалахи спостерігали за допомогою мікроскопа М.

Дослід Резерфорда

Якщо посудину заповнювати Нітрогеном, то альфа - частинки всю свою кінетичну енергію витрачають на іонізацію і збудження атомів Нітрогену і не можуть досягати екрана. Але рідкісні спалахи все ж спостерігались, отже, під час взаємодії альфа - частинки з атомами Нітрогену з'явилися якісь заряджені частинки, які й викликали спалахи у кристалі сульфіду цинку. Досліджуючи дію електричних та магнітних полів на частинки, що вибивались із ядер Нітрогену, встановили, що ці частинки володіють позитивним елементарним зарядом е = 1,6Ч10-19 Кл. Їх назвали протонами. Потім була визначена і його маса. Вона дорівнює mр = 1,67Ч10?29 кг = 1,0072276 а. о. м.

У 1930 році німецькі фізики В. Ботте і Г. Беккер обстрілювали альфа - частинками ядра атомів Берилію і одержали випромінювання невідомої природи, яке було здатне проходити через товсті шари свинцю з меншим послабленням, ніж рентгенівські промені. Спочатку вважали, що це випромінювання є г - променями.

У 1932 році англійський фізик - експериментатор Д. Чедвік, співробітник Е. Резерфорда, виконав досліди з вивчення властивостей випромінювання, яке виникає під час опромінення Берилію альфа - частинками, і, застосувавши до реакції закони збереження енергії та імпульсу, встановив, що це випромінювання є потоком нейтральних частинок з масою, яка приблизно дорівнює масі протона. Це і були нейтрони, які ще за 12 років до цього передбачив Е. Резерфорд. Досліди Д. Чедвіка і є експериментальним доказом існування нейтронів. Сучасні виміри показали, що маса вільного нейтрона дорівнює mп = 1,67Ч10?27 кг = 1,0086649 а. о. м.

Атомне ядро складається із протонів і нейтронів. Оболонкову протонно - нейтронну модель ядра запропонували незалежно один від одного радянський вчений Д. Д. Іваненко і німецький вчений В. Гейзенберг у 1932 році, коли був відкритий нейтрон. Згідно з їхньою ідеєю протони і нейтрони ( ще їх називають нуклонами) розміщуються в ядрі певними групами і утворюють ядерні оболонки. Число протонів у ядрі дорівнює зарядовому числу Z. Тому зарядове число Z ще називають протонним числом. А загальне число нуклонів (протонів і нейтронів) дорівнює масовому числу:

(1)

де N - число нейтронів.

Таким чином, протони, як і електрони, існують в природі у вільному стані, наприклад у космічних променях. Нейрони відсутні у природі у вільному стані. Їх немає ні в повітрі, ні в земних породах. Причиною відсутності в природі значної кількості вільних нейтронів є їхня нестабільність. Нейтрон, який звільнився з атомного ядра, через декілька хвилин самочинно розпадається на протон, електрон і електронне нейтрино.[14, c.12]

Однією з основних проблем в ядерній фізиці 20-30-х років ХХ століття була проблема бета-розпаду: спектр електронів, що утворюються при в-розпаді, виміряний англійським фізиком Джеймсом Чедвіком ще в 1914 р. має неперервний характер, тобто, з ядра вилітають електрони самих різних енергій.

Розвиток квантової механіки призвів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення було висловлене австрійським фізиком Лізою Мейтнер у 1922. Тобто, спектр частинок, що вилітають при розпаді ядра повинен бути дискретним, і показувати енергії, рівні різницям енергій рівнів, між якими при розпаді відбувається перехід. Таким, наприклад, є спектр альфа - частинок при альфа - розпаді.

Таким чином, неперервність спектру електронів в-розпаду ставила під сумнів закон збереження енергії. Аналізуючи його, у 1931 - 1933 рр. В. Паулі передбачив існування нейтральної частинки, маса спокою якої дорівнює нулю. Цю частинку було названо нейтрино.[6, c.90]

Відкриття на рубежі ХІХ-ХХ ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини і встановлення того факту, що молекули побудовані із атомів, дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових - атомів. Виявлення в подальшому наявності складових атомів - електронів і ядер, встановлення їх складної природи, які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів), дало можливість передбачити, що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками, або же іноді називають - «субатомними частинками». До тих пір, поки їхня кількість була не дуже велика, існувала думка, що вони відіграють фундаментальну роль в будові речовини, тому їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості субатомних частинок, виявлення у багатьох із них складної будови показало, що вони, як правило, не мають властивості елементарності, але традиційна назва «елементарні частинки» за ними все ж таки збереглась.

1.2 Рентгенівські промені.

В 1912 р. німецький фізик М. Лауе вперше висловив припущення про наявність у рентгенівських променів хвильових властивостей і висловив думку про можливість їх інтерференції та дифракції в просторовій решітці кристала. Досліди, здійснені в тому ж році німецьким фізиком В. Фрідріхом і П. Кніппінгом блискуче підтвердили це бачення М. Лауе, чим і була доведена хвильова природа рентгенівських променів. Вони мають таку саму фізичну природу, як і видиме або ультрафіолетове проміння. Тобто може одночасно проявляти як хвильові, так і корпускулярні властивості. Відмінність лише в тому, що рентгенівське проміння характеризується дуже короткими довжинами хвиль (л - 10 - 10-2нм). Установлено такі межі для нього умовно. Реально відбувається неперервний перехід від видимого, ультрафіолетового до рентгенівського і г- випромінювання, хоч механізм виникнення кожного з них, взагалі кажучи, інший.[7, c.153]

Рентгенівські промені володіють сильною проникною здатністю і можуть викликати почорніння фотографічної пластинки і світіння деяких речовин. Майже одразу після їх відкриття Рентгену вдалося зробити знімок скелету руки своєї дружини, з обручкою на безіменному пальці (мал.1.2). [13, c.14]

Велику роль вони відіграють у надаванні біохімічної дії на живі клітини. Всі ці властивості х- променів використовуються у науці та техніці для просвічування непрозорих предметів з метою виявлення дефектів в них аж до сталевих злитків в декілька десятків сантиметрів товщиною, для просвічування хворих, лікуванні злоякісних пухлин, для дослідження хімічного складу речовини, стимулюванню росту рослин, боротьби з шкідниками сільського господарства тощо.[9, c.255]

Таким чином, рентгенівське проміння відіграє важливу роль у вивченні будови і властивостей атома. Так, його спектри дають змогу точно визначити атомні номери елементів, тобто визначити заряди їхніх ядер. За допомогою рентгенівського випромінювання вдалося найбільш точно оцінити величину сталої Авогардо та сприяти точному вивченню заряду і маси електрона.

Серед українських учених, що сягнули вершин європейської і світової науки, одне з почесних місць належить Іванові Пулюєві. Своєю науковою і технічною діяльністю він заслужив широке міжнародне визнання, але залишився майже невідомим в Україні, для кращого майбутнього якої невтомно працював далеко поза її межами протягом всього життя.

В січні 1896 р., тобто відразу після перших повідомлень (грудень 1895 р.) про відкриття Рентгеном Х - променів, Пулюй відновив свої дослідження з газорозрядними приладами з метою вивчення властивостей нових променів та можливостей їх застосування. Це відкриття мало епохальне значення для становлення сучасної фізики і, крім того, стало сенсацією для широкої громадськості - адже воно вперше дало змогу «бачити» предмети за непрозорими для видимого світла стінками і створило принципово нові можливості в медицині.

Першим завданням Пулюя була перевірка гіпотези Рентгена щодо місця виникнення Х - променів та їх просторового розподілу. Провівши спеціальні досліди, він підтвердив висновок Рентгена про те, що х - промені утворюються у тих місцях стінок газорозрядних трубок, куди попадають катодні промені . Реєстрував Пулюй нові промені, спостерігаючи викликану ним фосфоресценцію, або фотографічним методом. Особливого успіху досяг він у виготовленні рентгенограм, якість яких завдяки великій інтенсивності Х - променів була набагато кращою від рентгенових, а тривалість експозиції різко зменшилася. Це дозволило йому виготовити низку знімків окремих частин тіла і навіть цілого скелету мертвонародженої дитини, встановити різноманітні патологічні зміни в тілах пацієнтів і тим самим підняти на радикально новий рівень не тільки хірургію (наприклад, встановити точне положення чужорідних предметів у тілі), але й діагностику різних захворювань.[5, c.9]

Пулюєві належать такі нові (у порівнянні з Рентгеном) результати:

1. Провів більш докладне дослідження просторового розподілу Х - променів та зробив строге експериментальне доведення їх утворення у твердих тілах під час бомбардування їх катодними променями, тобто негативно зарядженими частинками.

2. Виявив іонізаційну здатність Х - променів.

3. Пояснив близько до сучасних уявлень мікроскопічний механізм утворення Х - променів та їх фізичну природу.

4. Використав сконструйовану ще 14 роками раніше свою фосфоресцентну лампу як джерело нових променів, що дозволило одержати найкращі на той час результати щодо їх застосування до «просвічування» непрозорих об'єктів та отримання фотографій із зображенням їх внутрішньої структури.

5. Запропонував, вперше у світовій практиці, в конструкції своєї лампи антикатод, обов'язковий електрод різних типів сучасних рентгенівських трубок, бомбардування якого катодними променями приводило до утворення слаборозбіжної в'язки рентгенівських променів великої інтенсивності.

6. Сформував відповідні висновки щодо перспективи використання Х - променів у медицині.

Великі заслуги Пулюя в дослідженні та практичному використанні самих Х - променів, і це дає підстави вважати його співзасновником рентгенології у широкому сенсі цього поняття - як наука про невидимі Х - промені, їхню природу і сфери застосування. Він домігся найвищої на той час якості Х - променевих фотографій, опублікованих у європейській пресі. А виконана у США одним з Пулюєвих електровакуумних апаратів рентгенограма вперше у світі зафіксувала перелом людської кінцівки.[2, c.45]

У 2005 р. виповнилося 160 років від дня народження видатного вченого та громадського діяча Івана Пулюя. За часів радянської влади його ім'я замовчувалося. Втім, хоча зараз він і повертається до рідної країни, багато наших співвітчизників навіть не уявляють, наскільки вагомою була його постать наприкінці XIX - на початку XX століття. На відміну від нас світова наукова громада вже давно знає Івана Пулюя як теоретика й експериментатора, автора багатьох оригінальних наукових праць та винаходів, фахівця зі спорудження електростанцій, а також як знавця стародавніх мов.

1.3 Радіоактивність

Промені з малою проникною здатністю були названі Е. Резерфордом б-променями, а промені з більшою проникною здатністю - в - променями.

В 1900 р. французький фізик П. Віллард виявив третій компонент радіоактивного випромінювання, який дістав назву г - променів. Гамма - промені відзначаються великою проникною здатністю.

В тому ж 1900 р. Е. Резерфорд встановив, що б - промені позитивно заряджені, відхиляються в магнітному полі, а в 1902 р. після обчислення заряду б - частинок і дослідження відхилення їх в електричному полі Е. Резерфорд прийшов до думки, що б - частинки - це іонізовані ядра гелію. Одночасно було встановлено сильне відхилення в магнітному полі в - частинок, що свідчило про їх незначну масу порівняно з б- частинками.

Після відкриття радіоактивного випромінювання Е. Резерфорд разом зі своїм співробітником англійським фізиком Ф. Содді у працях «Причина і природа радіоактивності» (1902), «Порівняльне вивчення радіоактивності радію і торію» (1903), «Радіоактивне перетворення» (1903) та інших запропонували теорію радіоактивного розпаду, згідно з якою радіоактивність є наслідком самовільного перетворення елементів, що супроводжується випромінюванням, енергія якого береться з самого атома. Ними був знайдений закон спонтанного радіоактивного розпаду, який аналітично записують так:

(2)

де N0 - вихідна кількість атомів радіоактивного елемента в момент t =0,

л - стала радіоактивного розпаду, N - кількість атомів у тому самому об'ємі, які розпадаються за час t. [7, c.156]

Іншими словами, відносна кількість радіоактивної речовини, що перетворюється в одиницю часу, є величина стала. Резерфорд і Содді назвали її радіоактивною сталою і висловили думку, що всякий радіоактивний процес є перетворення елементів. На основі цих робіт вони прийшли до двох фундаментальних висновків. По - перше, передбачили існування нових радіоактивних елементів, які можуть бути виявлені за їх радіоактивністю, навіть якщо вони є в нескінченно малих кількостях. Це передбачення Резерфорда і Содді блискуче виправдалось, а розроблені ними і подружжям М. Складовською - Кюрі та П. Кюрі методи радіохімії стали могутнім знаряддям у відкритті нових елементів. По - друге, Резерфорд і Содді вперше підрахували енергію б - частинок,випромінюваних радієм, і прийшли до висновку, що вона в мільйони разів перевищує енергію будь - якого молекулярного перетворення.[8, c.178]

Таким чином, важливі відкриття В. Рентгена і А. Беккереля, фундаментальні дослідження явища радіоактивності, виконані подружжям Кюрі, сформульована Е. Резерфордом і Ф. Содді теорія радіоактивного розпаду, поряд з іншими відкриттями у фізиці кінця ХІХ - початку ХХ ст., зробили революційний переворот в уявленнях про атом. Атом став розглядатись як досить складне утворення, здатне до змін і перетворень. І перед фізикою постало нове важливе завдання - з'ясувати внутрішню структуру атома.

РОЗДІЛ 2. ЕВОЛЮЦІЯ НАУКОВОЇ ДУМКИ ЩОДО БУДОВИ АТОМА

2.1 Перша модель атома Дж. Дж. Томсона