Amo questa storia. È una storia di come le idee sono cambiate sulla natura dell’atomo. Queste sono le note (e i diagrammi) che uso quando insegno la natura atomica della materia a major non scientifiche. La cosa migliore di questa storia è che è un grande esempio di scienza. La scienza (o gli scienziati) costruiscono un modello. Se arrivano nuove prove, il modello viene cambiato. Ci sono molti altri siti web che descrivono tutta questa roba, elencherò un paio alla fine di questo post.

Tipico modello di libro di testo di un atomo

Guarda in un libro di testo introduttivo, non scientifico major e probabilmente vedrai un’immagine come questa dell’atomo. Questo modello ha alcune buone idee in esso, ma nel complesso ha alcuni problemi. La chiave (e non i punti errati) di questo modello sono:

• L’atomo è fatto di protoni, i neutroni e gli elettroni
• la Maggior parte dello spazio è occupato dalla zona in cui gli elettroni esistono
• I protoni e neutroni nel nucleo dell’atomo – chiamato il nucleo

greco Modello di Atomo

sempre per tornare ai Greci, non è vero? Beh, hanno fatto un sacco di cose. So che erano davvero scienziati, ma è ancora un buon punto di partenza. Ecco una foto del busto di Democrito.

Nella vita reale, probabilmente aveva colore. Democrito è accreditato di venire con l’atomo. La domanda era: cosa succederebbe se continuassi a prendere qualcosa (come un albero) e a rompersi in pezzi sempre più piccoli? Sarebbe sempre un pezzo di un albero? Potresti continuare a romperlo in pezzi sempre più piccoli? Democrito ha detto che se continui a scomporlo, arriveresti a una dimensione che non potrebbe più essere rotta. Questo sarebbe il pezzo indivisibile. In greco, atomos = indivisibile. Quindi, l’atomo. (So che c’è di più per i greci, ma ho bisogno di un punto di partenza)

Modello di Dalton

Non ho intenzione di entrare nelle prove sperimentali per il modello di Dalton dell’atomo, è roba buona però. Lasciatemi solo dire cosa ha detto Dalton:

• Le cose possono essere suddivise in elementi (le cose elencate sulla tavola periodica).
• Gli elementi sono atomi con masse diverse.
• I composti sono una combinazione di elementi. Sai, come acqua, sale o pizza.

Fondamentalmente, Dalton ha appena ampliato l’idea greca dell’atomo. Un atomo è una piccola cosa, e ci sono diverse masse con proprietà diverse.

J. Jonah Jameson Thomson – (ALIAS J. J.)

Thomson ha giocato con i raggi catodici. Questi sono solo fasci di elettroni (ma il raggio catodico suona più fresco). Facendo interagire il fascio con i campi elettrici e magnetici, Thomson è stato in grado di determinare il rapporto massa-carica per un elettrone. Quindi, da ciò sapeva che l’elettrone proveniva dall’atomo, aveva una carica negativa e una piccola massa. Ecco il modello che ha proposto.

Thomson prese l’idea dell’atomo e cercò di incorporare le prove per l’elettrone. In questo modello, gli elettroni sono le piccole cose e il resto della roba è una questione positiva. Questo è comunemente chiamato il modello di budino a piombo perché gli elettroni sono come le cose nel budino positivo.

Rutherford Scattering

Ernest Rutherford disse un giorno “ehi, penso che sparerò un po’ di roba agli atomi.”Sono sicuro che sua moglie ha detto” oh, Ernie “(probabilmente lo chiamava Ernie) ” se ti rende felice di giocare con le tue piccole cose di fisica, vai avanti. So quanto ti piace.”Così ha fatto. Ha sparato alcune particelle alfa (che sono in realtà solo il nucleo di un atomo di elio) in qualche lamina d’oro davvero sottile. Ecco un diagramma del suo esperimento.

Se si spara queste particelle alfa in questo positivo budino di atom, che dovrebbe principalmente rimbalzare, giusto? Beh, non e ‘andata cosi’. Rutherford ha scoperto che la maggior parte di loro è andata proprio attraverso il foglio. Alcuni di loro si sono ripresi. Come potrebbe essere se il modello plumb pudding fosse corretto? L’esperimento di Rutherford provocò un cambiamento nel modello atomico. Se le particelle alfa positive passavano per lo più attraverso il foglio, ma alcune rimbalzavano indietro. E se sapevano già che l’elettrone era piccolo e negativo, allora l’atomo deve avere un piccolo nucleo positivo con gli elettroni intorno a loro.

Modello Bohr

Il modello proposto da Niels Bohr è quello che vedrete in molti testi scientifici introduttivi. Ci sono molte buone idee in questo modello, ma non è quello che concorda con tutte le prove attuali. Il modello cerca di creare una connessione tra luce e atomi.

Supponiamo che tu prenda un po ‘ di luce e lasci che colori diversi pieghino quantità diverse (pensa all’arcobaleno). In questo modo, potresti vedere quali colori sono presenti per diverse fonti di luce. Qui ci sono tre diverse fonti di luce.

Forse la luce dalla lampadina è quello che ci si aspetterebbe. Questi sono i colori dell’arcobaleno. Tuttavia, supponiamo che tu abbia preso un po ‘ di idrogeno e l’abbia eccitato. Ci sarebbero solo determinati colori (solo determinate lunghezze d’onda) della luce prodotta. Se fai brillare la luce attraverso un po ‘ di gas idrogeno, ci saranno bande scure di luce a quegli stessi colori.

Quindi, Bohr ha detto che questi colori della luce nel gas idrogeno corrispondono a diversi livelli di energia che l’elettrone nell’idrogeno può avere. E questa è la chiave del modello di Bohr: gli elettroni possono essere SOLO a determinati livelli di energia nell’atomo. Questo è pazzo (almeno era pazzo per il suo tempo). Pensa a un pianeta in orbita attorno al Sole. Può essere a qualsiasi livello di energia. In questo caso, c’è una forza gravitazionale che attrae il pianeta che produce il movimento orbitale. Questo funzionerà ovunque nel sistema solare.

I primi fisici pensavano all’elettrone in un atomo molto simile a un pianeta in orbita attorno al Sole. La differenza chiave è che l’elettrone (nel modello di Bohr) orbita a causa di un’interazione elettrica e non di un’interazione gravitazionale. Bene, l’altra differenza nel modello di Bohr è che l’elettrone non può orbitare (se orbita, cosa che non fa) a qualsiasi distanza e qualsiasi energia. Ecco l’essenza del modello Bohr.

Il modello di Bohr dipende da una connessione tra la frequenza della luce e l’energia del cambiamento di livello. Se la luce di una frequenza corrispondente al cambiamento di energia interagisce con l’atomo, l’elettrone può assorbire la luce e saltare su un livello. Se un elettrone eccitato salta giù di un livello, perde energia. L’energia che l’elettrone perde diventa luce con una frequenza corrispondente alla variazione di energia.

Il modello di Bohr può essere piuttosto confuso per gli studenti introduttivi, ma il punto importante è che questo modello concorda con le seguenti prove.

• Gli elettroni sono piccoli e caricati negativamente
• I protoni sono nel nucleo con è piccolo rispetto alle dimensioni dell’atomo
• Per un particolare elemento, solo alcune frequenze (colori) della luce vengono assorbite o emesse.

Modello di Schrodinger e Heisenberg

C’è un punto chiave sul modello di Bohr che non è più accettato nei modelli attuali dell’atomo. Nel modello di Bohr, si pensa ancora che gli elettroni orbitino attorno al nucleo proprio come i pianeti orbitano attorno al sole. In realtà, questo è qualcosa che non possiamo dire è vero. Il problema con gli atomi e gli elettroni è che noi esseri umani tranne loro di obbedire alle stesse regole di cose come palle da baseball e pianeti. In realtà, le regole sono le stesse, ma palle da baseball e pianeti seguono le regole della meccanica quantistica senza che noi umani se ne accorgano.

Si scopre che non possiamo davvero dire nulla sulla traiettoria o sulla posizione degli elettroni in un atomo. Quello che possiamo dire è tutto sulle probabilità. Possiamo dire quali regioni è probabile che sia un elettrone. Ecco un diagramma che potrebbe aiutare. Queste sono le distribuzioni di probabilità per i diversi livelli energetici di un atomo (da wikipedia)

Sommario

gli Scienziati costruire modelli. Quando vengono raccolte nuove prove, i modelli cambiano.

Link

• Storia dell’Atomo – questo è un po ‘vecchia pagina alcune immagini infrante, ma è ancora roba buona
• l’Università del Colorado a Fisica 2000 – di nuovo, di vecchio, ma buono (se non un po’ sciocco)
• Physlet di Bohr modello
• Tutorial su atomi
• Wikipedia – Democrito
• Wikipedia – J. J. Thomson
• Wikipedia – Ernest Rutherford
• Wikipedia – Niels Bohr

Aggiornamento:

ho dimenticato che ho fatto una video conferenza per la stessa roba. Se ti piace ascoltare e guardare invece di leggere, dai un’occhiata a questo.

Materia e atomi da Rhett Allain su Vimeo.

Inoltre, c’è un grande libro sulla storia dell’atomo. Storia della fisica di Isaac Asimov. Consiglio vivamente quel libro, anche se non è più in stampa. Ho trovato la mia copia in un negozio di libri usati.