uwielbiam tę historię. Jest to opowieść o tym, jak zmieniły się pomysły dotyczące natury atomu. Są to notatki (i diagramy), których używam, gdy uczę atomowej natury materii na kierunkach innych niż nauka. Najlepszą rzeczą w tej historii jest to, że jest to świetny przykład nauki. Nauka (lub naukowcy) budują model. Jeśli pojawią się nowe dowody, model zostanie zmieniony. Istnieje kilka innych stron internetowych, które opisują wszystkie te rzeczy, wymienię kilka na końcu tego postu.

typowy podręcznikowy model atomu

zajrzyj do intro, podręcznika studiów niestacjonarnych, a prawdopodobnie zobaczysz podobny obraz atomu. Ten model ma kilka dobrych pomysłów, ale ogólnie ma pewne problemy. Kluczowymi (a nie błędnymi punktami) tego modelu są:

• Atom składa się z protonów, neutronów i elektronów
• większość przestrzeni zajmuje obszar, w którym istnieją elektrony
• protony i neutrony znajdują się w jądrze atomu – zwanym jądrem

Grecki model atomu

zawsze musi wrócić do Greków, prawda? Zrobili wiele rzeczy. Wiem, że byli naprawdę naukowcami, ale to wciąż dobre miejsce na początek. Oto zdjęcie popiersia Demokryta.

w prawdziwym życiu prawdopodobnie miał kolor. Demokrytusowi przypisuje się wynalezienie atomu. Pytanie brzmiało, Co by się stało, gdybyś ciągle coś brał (jak drzewo) i rozbijał na coraz mniejsze kawałki? Czy zawsze byłby to kawałek drzewa? Czy mógłbyś rozbijać to na coraz mniejsze kawałki? Democritus powiedział, że jeśli będziesz go łamał, osiągniesz rozmiar, którego nie można już złamać. To byłby niepodzielny kawałek. W języku greckim atomos = niepodzielny. Zatem atom. (Wiem, że do Greków jest coś więcej, ale potrzebuję od czego zacząć)

Model Daltona

nie zamierzam zagłębiać się w eksperymentalne dowody na model Daltona atom, to dobry towar. Pozwól mi tylko powiedzieć, co Dalton powiedział:

• rzeczy można podzielić na pierwiastki (rzeczy wymienione w układzie okresowym).
• pierwiastki to atomy o różnych masach.
• związki są kombinacjami pierwiastków. Jak woda, sól czy pizza.

zasadniczo Dalton właśnie rozszerzył grecką ideę atomu. Atom to mała rzecz i istnieją różne masy o różnych właściwościach.

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

Thomson grał promieniami katodowymi. To tylko wiązki elektronów (ale katoda brzmi chłodniej). Dzięki oddziaływaniu wiązki z polami elektrycznymi i magnetycznymi Thomson był w stanie określić stosunek masy do ładunku elektronu. Więc od tego wiedział, że elektron pochodzi z atomu, miał ładunek ujemny i małą masę. Oto model, który zaproponował.

Thomson wziął pomysł atomu i próbował włączyć dowody na elektron. W tym modelu elektrony są małymi rzeczami, a reszta jest pozytywną materią. Jest to powszechnie nazywane modelem puddingu pionu, ponieważ elektrony są jak rzeczy w pozytywnym puddingu.

Rutherford

„Jestem pewien, że jego żona powiedziała” Oh, Ernie ” (prawdopodobnie nazywała go Ernie) „jeśli sprawia ci to przyjemność bawić się swoimi fizycznymi rzeczami, śmiało. Wiem, jak ci się podoba.”I tak zrobił. Wystrzelił cząstki alfa (które są tak naprawdę tylko jądrem atomu helu) w naprawdę cienką złotą folię. Oto schemat jego eksperymentu.

Jeśli wystrzelić te dodatnie cząstki alfa w ten dodatni atom puddingu, powinny one w większości się odbić, prawda? Nie tak było. Rutherford stwierdził, że większość z nich przeszła przez folię. Niektóre z nich wróciły. Jak to możliwe, jeśli model puddingu był poprawny? Eksperyment Rutherforda spowodował zmianę modelu atomowego. Jeśli dodatnie cząstki alfa głównie przeszły przez folię, ale niektóre odbiły się z powrotem. A jeśli już wiedzieli, że elektron jest mały i ujemny, to atom musi mieć małe dodatnie jądro z elektronami wokół nich.

model Bohra

model zaproponowany przez Nielsa Bohra jest Tym, który zobaczysz w wielu wprowadzających tekstach naukowych. W tym modelu jest wiele dobrych pomysłów, ale to nie ten, który zgadza się ze wszystkimi obecnymi dowodami. Model próbuje nawiązać połączenie między światłem a atomami.

Załóżmy, że bierzesz trochę światła i pozwalasz innym kolorom zgiąć różne ilości (pomyśl o tęczy). W ten sposób można było zobaczyć, jakie kolory są obecne dla różnych źródeł światła. Oto trzy różne źródła światła.

może światło z żarówki jest tym, czego można się spodziewać. To Kolory tęczy. Załóżmy jednak, że wzięliście trochę wodoru i wzbudziliście go. Nie byłoby tylko pewne kolory (tylko pewne długości fal) światła produkowane. Jeśli zaświecisz światłem przez gaz wodorowy, pojawią się ciemne pasma światła w tych samych kolorach.

Bohr powiedział więc, że te kolory światła w gazie wodorowym odpowiadają różnym poziomom energii elektronu w wodorze. I to jest klucz do modelu Bohra-elektrony mogą być tylko na pewnych poziomach energii w atomie. To jest szalone (przynajmniej było szalone jak na swój czas). Pomyśl o planecie krążącej wokół Słońca. Może to być na dowolnym poziomie energii. W tym przypadku istnieje siła grawitacyjna przyciągająca planetę, która wytwarza ruch orbitalny. To zadziała wszędzie w Układzie Słonecznym.

wczesny fizyk myślał o elektronie w atomie jak o planecie krążącej wokół Słońca. Kluczową różnicą jest to, że elektron (w modelu Bohra) orbituje z powodu oddziaływania elektrycznego, a nie oddziaływania grawitacyjnego. Inną różnicą w modelu Bohra jest to, że elektron nie może orbitować (jeśli nie orbituje, czego nie robi) w żadnej odległości i żadnej energii. Oto istota modelu Bohra.

model Bohra zależy od związku między częstotliwością światła a energią zmiany poziomu. Jeśli światło o częstotliwości odpowiadającej zmianie energii oddziałuje z atomem, elektron może wchłonąć światło i przeskoczyć poziom. Jeśli wzbudzony elektron skoczy w dół, traci energię. Energia, którą traci elektron, staje się światłem o częstotliwości odpowiadającej zmianie energii.

model Bohra może być dość mylący dla uczniów wprowadzających, ale ważne jest, że model ten zgadza się z następującymi dowodami.

• elektrony są małe i ujemnie naładowane
• protony są w jądrze z jest mały w porównaniu do wielkości atomu
• dla danego elementu, tylko niektóre częstotliwości (kolory) światła są absorbowane lub emitowane.

Model Schrodingera i Heisenberga

istnieje kluczowy punkt o modelu Bohra, który nie jest już akceptowany w obecnych modelach atomu. W modelu Bohra nadal uważa się, że elektrony krążą wokół jądra, tak jak planety krążą wokół Słońca. W rzeczywistości jest to coś, czego nie możemy powiedzieć, że jest prawdą. Problem z atomami i elektronami polega na tym, że my, ludzie, oprócz nich, przestrzegamy tych samych zasad, co takie rzeczy, jak piłki baseballowe i planety. Właściwie, zasady są takie same, ale baseballs i planety postępują zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, nawet nie zauważając nas, ludzi.

okazuje się, że tak naprawdę nie możemy nic powiedzieć o trajektorii lub położeniu elektronów w atomie. To, co możemy powiedzieć, dotyczy prawdopodobieństwa. Możemy powiedzieć, w jakich rejonach może znajdować się elektron. Oto diagram, który może pomóc. Są to rozkłady prawdopodobieństwa dla różnych poziomów energii w atomie (z Wikipedii)

podsumowanie

Po zebraniu nowych dowodów Modele się zmieniają.

linki

• Historia atomu – to jest jakaś stara strona, która ma kilka zepsutych zdjęć, ale nadal jest to dobry materiał
• Fizyka Uniwersytetu Kolorado 2000 – znowu, stara, ale dobra (jeśli nie trochę głupia)
• Physlet Bohr model
• Tutorial o atomach
• Wikipedia – Demokryt
• Wikipedia – J. J. Thomson
• wikipedia – Ernest Rutherford
• wikipedia – Niels Bohr

aktualizacja:

zupełnie zapomniałem, że zrobiłem wykład wideo na ten sam temat. Jeśli lubisz słuchać i oglądać zamiast czytać, sprawdź to.

Materia i Atomy z Rhetta Allaina na Vimeo.

jest też świetna książka o historii atomu. Historia fizyki Isaaca Asimova. Gorąco polecam tę książkę, mimo że nie jest już drukowana. Znalazłem swój egzemplarz w używanej księgarni.