Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Fizica atomică și nucleară » Evoluția teoriei atomice

Evoluția teoriei atomice

Dacă materia este compusă din atomi, din ce sunt alcătuiți atomii? Sunt cele mai mici particule sau există ceva mai mic? La sfârșitul anilor 1800, un număr de oameni de știință interesați de astfel de întrebări au investigat descărcările electrice care ar putea fi produse în gaze de joasă presiune, cea mai semnificativă descoperire fiind făcută de fizicianul englez J. J. Thomson folosind un tub catodic. Acest aparat consta dintr-un tub de sticlă sigilat din care fusese îndepărtat aproape tot aerul; tubul conținea doi electrozi metalici. Când a fost aplicată tensiune înaltă peste electrozi, între ei a apărut un fascicul vizibil numit rază catodică. Acest fascicul a fost deviat spre sarcina pozitivă și departe de sarcina negativă și a fost produs în același mod cu proprietăți identice atunci când au fost utilizate metale diferite pentru electrozi. În experimente similare, raza a fost deviată simultan de un câmp magnetic aplicat, iar măsurătorile amplorii deflexiunii și intensității câmpului magnetic i-au permis lui Thomson să calculeze raportul sarcină-masă al particulelor de raze catodice. Rezultatele acestor măsurători au indicat că aceste particule au fost mult mai ușoare decât atomii (Figura 2.6).

J. J. Thomson a produs un fascicul vizibil într-un tub catodic
Credit a: modificarea lucrării Fundației Nobel; b: modificarea lucrării lui Eugen Nesper; credit c: modificarea lucrării lui Kurzon/Wikimedia Commons

Figura 2.6 (a) J. J. Thomson a produs un fascicul vizibil într-un tub catodic. (b) Acesta este un tub catodic timpuriu, inventat în 1897 de Ferdinand Braun. (c) În raza catodă, fasciculul (prezentat cu galben) vine de la catod și este accelerat pe lângă anod către o scară fluorescentă la capătul tubului. Deviațiile simultane ale câmpurilor electrice și magnetice aplicate i-au permis lui Thomson să calculeze raportul masă-sarcină al particulelor care compun raza catodica.

Pe baza observațiilor sale, iată ce a propus Thomson și de ce: particulele sunt atrase de sarcini pozitive (+) și respinse de sarcini negative (-), deci trebuie să fie încărcate negativ (sarcinile asemănătoare se resping și sarcinile diferite se atrag); sunt mai puțin masive decât atomii și nu se pot distinge, indiferent de materialul sursă, așa că trebuie să fie constituenți fundamentali, subatomici, ai tuturor atomilor. Deși controversată la acea vreme, ideea lui Thomson a fost acceptată treptat, iar particulele sale catodice sunt ceea ce numim acum un electron, o particulă subatomică încărcată negativ, cu o masă de peste o mie de ori mai mică decât a unui atom. Termenul „electron” a fost inventat în 1891 de către fizicianul irlandez George Stoney, de la „ion electric”.

În 1909, mai multe informații despre electron au fost descoperite de fizicianul american Robert A. Millikan prin experimentele sale cu „picăturile de ulei”. Millikan a creat picături microscopice de ulei, care ar putea fi încărcate electric prin frecare pe măsură ce se formau sau prin utilizarea razelor X. Aceste picături au căzut inițial din cauza gravitației, dar progresul lor în jos ar putea fi încetinit sau chiar inversat de un câmp electric inferior în aparat. Prin ajustarea intensității câmpului electric și făcând măsurători atente și calcule adecvate, Millikan a putut determina sarcina pe picături individuale (Figura 2.7).

Experimentul lui Millikan

Figura 2.7 Experimentul lui Millikan a măsurat sarcina picăturilor individuale de ulei. Datele tabulate sunt exemple de câteva valori posibile.

Privind datele de sarcini pe care le-a adunat Millikan, este posibil să fi recunoscut că sarcina unei picături de ulei este întotdeauna un multiplu al unei sarcini specifice, 1,6 × 10−19 C. Millikan a concluzionat că această valoare trebuie, prin urmare, să fie o sarcină fundamentală – sarcina a unui singur electron — cu sarcinile măsurate datorate unui exces de un electron (1 ori 1,6 × 10−19 C), doi electroni (de 2 ori 1,6 × 10−19 C), trei electroni (de 3 ori 1,6 × 10−19 C), C), și așa mai departe, pe o picătură de ulei dată. Deoarece sarcina unui electron era acum cunoscută datorită cercetărilor lui Millikan, iar raportul sarcină-masă era deja cunoscut datorită cercetării lui Thomson (1,759 × 1011 C/kg), a fost nevoie doar de un calcul simplu pentru a determina și masa electronului.

Masa electronului = 1,602 × 10−19 C × (1 kg/1,759 × 1011 C) = 9,107×10−31 kg

Oamenii de știință stabiliseră acum că atomul nu este indivizibil așa cum credea Dalton și, datorită lucrării lui Thomson, Millikan și alții, sarcina și masa particulelor negative, subatomice — electronii — erau cunoscute. Cu toate acestea, partea încărcată pozitiv a unui atom nu a fost încă bine înțeleasă. În 1904, Thomson a propus modelul atomilor „budincă de prune”, care descria o masă încărcată pozitiv cu o cantitate egală de sarcină negativă sub formă de electroni încorporați în ea, deoarece toți atomii sunt neutri din punct de vedere electric. Un model concurent a fost propus în 1903 de Hantaro Nagaoka, care a postulat un atom asemănător lui Saturn, constând dintr-o sferă încărcată pozitiv înconjurată de un halou de electroni (Figura 2.8).

Thomson a sugerat că atomii seamănă cu budinca de prune, un desert englezesc constând din blat de prăjitură cu stafide încorporate („prune”). (b) Nagaoka a propus că atomii seamănă cu planeta Saturn, cu un inel de electroni care înconjoară o „planetă” pozitivă.
Credit a: modificarea lucrării lui Man vyi/Wikimedia Commons; b: modificarea lucrării NASA/Wikimedia Commons

Figura 2.8 (a) Thomson a sugerat că atomii seamănă cu budinca de prune, un desert englezesc constând din blat de prăjitură cu stafide încorporate („prune”). (b) Nagaoka a propus că atomii seamănă cu planeta Saturn, cu un inel de electroni care înconjoară o „planetă” pozitivă.

Următoarea dezvoltare majoră în înțelegerea atomului a venit de la Ernest Rutherford, un fizician din Noua Zeelandă, care în mare parte și-a petrecut cariera științifică în Canada și Anglia. El a efectuat o serie de experimente folosind un fascicul de particule alfa de mare viteză, încărcate pozitiv (particule α), care au fost produse de dezintegrarea radioactivă a radiului; Particulele α constau din doi protoni și doi neutroni (veți afla mai multe despre dezintegrarea radioactivă în capitolul despre chimia nucleară). Rutherford și colegii săi Hans Geiger (mai târziu faimos pentru contorul Geiger) și Ernest Marsden au îndreptat un fascicul de particule α, a cărui sursă a fost încorporată într-un bloc de plumb, pentru a absorbi cea mai mare parte a radiațiilor, spre o bucată foarte subțire de folie de aur, și au examinat împrăștierea rezultată a particulelor α folosind un ecran luminiscent care a strălucit pentru scurt timp acolo unde a fost lovit de o particulă α.

Ce au descoperit? Majoritatea particulelor au trecut chiar prin folie fără a fi deloc deviate. Cu toate acestea, unele au fost deviate ușor, iar un număr foarte mic au fost deviate aproape direct înapoi către sursă (Figura 2.9). Rutherford a descris găsirea acestor rezultate: „A fost cel mai incredibil eveniment care mi s-a întâmplat vreodată în viața mea. A fost aproape la fel de incredibil ca și cum ai trage un obuz de 15 inci într-o bucată de hârtie absorbantă și s-a întors și te-a lovit.” (1)

Geiger și Rutherford, particule α

Figura 2.9 Geiger și Rutherford au tras particule α în o bucată de folie de aur și au detectat unde au mers acele particule, așa cum se arată în această diagramă schematică a experimentului lor. Majoritatea particulelor au trecut direct prin folie, dar câteva au fost ușor deviate și un număr foarte mic au fost deviate semnificativ.

Iată ce a dedus Rutherford: Deoarece majoritatea particulelor α cu mișcare rapidă au trecut prin atomii de aur nedeviate, ele trebuie să fi călătorit prin spațiu practic gol din interiorul atomului. Particulele alfa sunt încărcate pozitiv, astfel încât deviațiile au apărut atunci când au întâlnit o altă sarcină pozitivă (întrucât sarcinile se resping reciproc). Deoarece sarcinile asemănătoare se resping reciproc, cele câteva particule α încărcate pozitiv care și-au schimbat drumul brusc trebuie să fi lovit sau să se fi apropiat mai mult de un alt corp care avea și o sarcină pozitivă foarte concentrată. Deoarece deviațiile au avut loc o mică parte din timp, această sarcină a ocupat doar o mică parte din spațiul din folia de aur. Analizând în detaliu o serie de astfel de experimente, Rutherford a tras două concluzii:

  1. Volumul ocupat de un atom trebuie să fie format dintr-o cantitate mare de spațiu gol.
  2. Un corp mic, relativ greu, încărcat pozitiv, nucleul, trebuie să fie în centrul fiecărui atom.

Această analiză l-a determinat pe Rutherford să propună un model în care un atom constă dintr-un nucleu foarte mic, încărcat pozitiv, în care se concentrează cea mai mare parte a masei atomului, înconjurat de electronii încărcați negativ, astfel încât atomul să fie neutru din punct de vedere electric (Figura 2.10). După multe alte experimente, Rutherford a descoperit, de asemenea, că nucleele altor elemente conțin nucleul de hidrogen ca „bloc de construcție” și a numit această particulă mai fundamentală proton, particula subatomică încărcată pozitiv care se găsește în nucleu. Cu o adăugare, pe care o veți afla în continuare, acest model nuclear al atomului, propus cu peste un secol în urmă, este folosit și astăzi.

Particulele α

Figura 2.10 Particulele α sunt deviate numai atunci când se ciocnesc sau trec aproape de nucleul de aur mult mai greu, încărcat pozitiv. Deoarece nucleul este foarte mic în comparație cu dimensiunea unui atom, foarte puține particule α sunt deviate. Majoritatea trec prin regiunea relativ mare ocupată de electroni, care sunt prea ușoare pentru a devia particulele care se mișcă rapid.

O altă descoperire importantă a fost descoperirea izotopilor. La începutul anilor 1900, oamenii de știință au identificat mai multe substanțe care păreau a fi elemente noi, izolându-le de minereurile radioactive. De exemplu, unui „element nou” produs de dezintegrarea radioactivă a toriului a primit inițial numele de mezotoriu. Cu toate acestea, o analiză mai detaliată a arătat că mezotoriul a fost chimic identic cu radiul (un alt produs de dezintegrare), în ciuda faptului că avea o masă atomică diferită. Acest rezultat, împreună cu descoperiri similare pentru alte elemente, l-au determinat pe chimistul englez Frederick Soddy să realizeze că un element ar putea avea tipuri de atomi cu mase diferite care nu pot fi distinse chimic. Aceste tipuri diferite sunt numite izotopi – atomi ai aceluiași element care diferă în masă. Soddy a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1921 pentru această descoperire.

A rămas un puzzle: se știa că nucleul conține aproape toată masa unui atom, numărul de protoni oferind doar jumătate, sau mai puțin, din acea masă. Au fost făcute diferite propuneri pentru a explica ce a constituit masa rămasă, inclusiv existența particulelor neutre în nucleu. După cum v-ați putea aștepta, detectarea particulelor neîncărcate este foarte dificilă și abia în 1932 James Chadwick a găsit dovezi de neutroni, particule neîncărcate, subatomice cu o masă aproximativ aceeași cu cea a protonilor. Existența neutronului a explicat și izotopii: Ei diferă ca masă pentru că au un număr diferit de neutroni, dar sunt identici din punct de vedere chimic pentru că au același număr de protoni. Acest lucru va fi explicat mai detaliat mai târziu în acest capitol.

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9.99$35.00 Selectează opțiunile
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9.99$35.00 Selectează opțiunile
Fizica atomică și nucleară fenomenologică
Fizica atomică și nucleară fenomenologică

Cartea abordează bazele fenomenlogice din fizica atomică, fizica nucleară, radioactivitatea, fizica particulelor, fisiunea, fuziunea și energia nucleară. Conținutul oferă o perspectivă modernă a domeniului, simultan cu o retrospectivă istorică a dezvoltării sale. Fiecare capitol pune accent pe explicațiile fizice ale … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3.99$8.49 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *