Những khám phá trong lĩnh vực cấu trúc nguyên tử đã trở thành một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của vật lý học. Mô hình của Rutherford có tầm quan trọng lớn. Nguyên tử như một hệ thống và các hạt tạo nên nó đã được nghiên cứu một cách chính xác và chi tiết hơn. Điều này đã dẫn đến sự phát triển thành công của một ngành khoa học như vật lý hạt nhân.
Những ý tưởng cổ xưa về cấu trúc của vật chất
Giả định rằng các vật thể xung quanh được cấu tạo từ các hạt nhỏ nhất đã được đưa ra từ thời cổ đại. Các nhà tư tưởng thời đó cho rằng nguyên tử là hạt nhỏ nhất và không thể phân chia được của bất kỳ chất nào. Họ lập luận rằng không có gì trong vũ trụ nhỏ hơn một nguyên tử. Các nhà khoa học và triết học Hy Lạp cổ đại vĩ đại - Democritus, Lucretius, Epicurus đã đưa ra những quan điểm như vậy. Các giả thuyết của những nhà tư tưởng này ngày nay được thống nhất dưới cái tên "thuyết nguyên tử cổ đại".
Biểu diễn thời trung cổ
Thời cổ đại đã qua, đến thời Trung cổ cũng có những nhà khoa học đưa ra nhiều giả thiết khác nhau về cấu trúc của các chất. Tuy nhiên, ưu thế của các quan điểm triết học tôn giáo và quyền lực của nhà thờ trong giai đoạn lịch sử đó là gốc rễ.đã dập tắt mọi nỗ lực và khát vọng của tâm trí con người đối với các kết luận và khám phá khoa học duy vật. Như bạn đã biết, Tòa án dị giáo thời Trung cổ đã cư xử rất không thân thiện với các đại diện của giới khoa học thời đó. Người ta vẫn nói rằng những bộ óc sáng suốt bấy giờ đã có một ý tưởng đến từ thời cổ đại về tính không thể phân chia của nguyên tử.
nghiên cứu thế kỷ 18-19
Thế kỷ 18 được đánh dấu bằng những khám phá nghiêm túc trong lĩnh vực cấu trúc cơ bản của vật chất. Phần lớn là nhờ công sức của các nhà khoa học như Antoine Lavoisier, Mikhail Lomonosov và John D alton. Độc lập với nhau, họ có thể chứng minh rằng các nguyên tử thực sự tồn tại. Nhưng câu hỏi về cấu trúc bên trong của họ vẫn còn bỏ ngỏ. Cuối thế kỷ 18 được đánh dấu bằng một sự kiện quan trọng trong giới khoa học là việc D. I. Mendeleev phát hiện ra hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Đây là một bước đột phá thực sự mạnh mẽ vào thời điểm đó và vén bức màn cho sự hiểu biết rằng tất cả các nguyên tử đều có một bản chất duy nhất, rằng chúng có liên quan với nhau. Sau đó, vào thế kỷ 19, một bước quan trọng khác nhằm làm sáng tỏ cấu trúc của nguyên tử là bằng chứng rằng bất kỳ cái nào trong số chúng đều chứa một electron. Công việc của các nhà khoa học thời kỳ này đã chuẩn bị mảnh đất màu mỡ cho những khám phá của thế kỷ 20.
Thử nghiệm của Thomson
Nhà vật lý người Anh John Thomson đã chứng minh vào năm 1897 rằng nguyên tử chứa các electron mang điện tích âm. Ở giai đoạn này, những ý tưởng sai lầm cho rằng nguyên tử là giới hạn của khả năng phân chia của bất kỳ chất nào cuối cùng đã bị phá hủy. Thế nàoThomson đã có thể chứng minh sự tồn tại của electron? Trong các thí nghiệm của mình, nhà khoa học này đã đặt các điện cực trong khí rất hiếm và cho dòng điện chạy qua. Kết quả là tia âm cực. Thomson đã nghiên cứu cẩn thận các tính năng của chúng và nhận thấy rằng chúng là một dòng hạt mang điện di chuyển với tốc độ lớn. Nhà khoa học đã có thể tính toán khối lượng của những hạt này và điện tích của chúng. Ông cũng phát hiện ra rằng chúng không thể chuyển đổi thành các hạt trung hòa, vì điện tích là cơ sở bản chất của chúng. Đây là cách các điện tử được phát hiện. Thomson cũng là người tạo ra mô hình đầu tiên trên thế giới về cấu trúc của nguyên tử. Theo nó, nguyên tử là một tập hợp các vật chất mang điện tích dương, trong đó các electron mang điện tích âm được phân bố đồng đều. Cấu trúc này giải thích tính trung lập chung của các nguyên tử, vì các điện tích trái dấu cân bằng lẫn nhau. Các thí nghiệm của John Thomson trở nên vô giá đối với việc nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của nguyên tử. Tuy nhiên, nhiều câu hỏi vẫn chưa được giải đáp.
Nghiên cứu Rutherford
Thomson đã phát hiện ra sự tồn tại của các electron, nhưng ông không tìm thấy các hạt mang điện tích dương trong nguyên tử. Ernest Rutherford đã sửa chữa hiểu lầm này vào năm 1911. Trong quá trình thí nghiệm, nghiên cứu hoạt động của các hạt alpha trong chất khí, ông phát hiện ra rằng trong nguyên tử có những hạt mang điện tích dương. Rutherford thấy rằng khi các tia đi qua chất khí hoặc xuyên qua một tấm kim loại mỏng, một số lượng nhỏ các hạt bị lệch hẳn khỏi quỹ đạo chuyển động. Chúng đã bị ném trở lại theo đúng nghĩa đen. Nhà khoa học đoán rằnghành vi này được giải thích là do va chạm với các hạt mang điện tích dương. Những thí nghiệm như vậy cho phép nhà vật lý tạo ra mô hình Rutherford về cấu trúc của nguyên tử.
Mô hình Hành tinh
Giờ đây, những ý tưởng của nhà khoa học đã hơi khác so với những giả định của John Thomson. Các mô hình nguyên tử của họ cũng trở nên khác nhau. Kinh nghiệm của Rutherford cho phép ông tạo ra một lý thuyết hoàn toàn mới trong lĩnh vực này. Những khám phá của nhà khoa học có tầm quan trọng quyết định đối với sự phát triển hơn nữa của vật lý học. Mô hình của Rutherford mô tả một nguyên tử như một hạt nhân nằm ở trung tâm, và các electron chuyển động xung quanh nó. Hạt nhân mang điện tích dương và các êlectron mang điện tích âm. Mô hình nguyên tử của Rutherford giả định chuyển động quay của các electron xung quanh hạt nhân dọc theo những quỹ đạo - quỹ đạo nhất định. Phát hiện của nhà khoa học đã giúp giải thích nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch của các hạt alpha và trở thành động lực cho sự phát triển lý thuyết hạt nhân của nguyên tử. Trong mô hình nguyên tử của Rutherford, có một sự tương đồng với chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời xung quanh mặt trời. Đây là một so sánh rất chính xác và sinh động. Do đó, mô hình Rutherford, trong đó nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân theo một quỹ đạo, được gọi là hành tinh.
Tác phẩm của Niels Bohr
Hai năm sau, nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr đã cố gắng kết hợp các ý tưởng về cấu trúc của nguyên tử với các đặc tính lượng tử của thông lượng ánh sáng. Mô hình hạt nhân của nguyên tử Rutherford được nhà khoa học đặt làm cơ sở cho lý thuyết mới của mình. Theo Bohr, nguyên tử quay xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tròn. Quỹ đạo chuyển động như vậy dẫn đến gia tốccác electron. Ngoài ra, tương tác Coulomb của các hạt này với tâm nguyên tử đi kèm với việc tạo ra và tiêu thụ năng lượng để duy trì trường điện từ không gian phát sinh từ chuyển động của các electron. Trong điều kiện đó, một ngày nào đó các hạt mang điện tích âm phải rơi vào hạt nhân. Nhưng điều này không xảy ra, điều này cho thấy sự ổn định lớn hơn của các nguyên tử với tư cách là hệ thống. Niels Bohr nhận ra rằng các định luật nhiệt động lực học cổ điển được mô tả bởi các phương trình Maxwell không hoạt động trong các điều kiện nội nguyên tử. Do đó, nhà khoa học tự đặt cho mình nhiệm vụ tìm ra các mẫu mới có giá trị trong thế giới của các hạt cơ bản.
Định đề của Bohr
Phần lớn do mô hình của Rutherford tồn tại, nguyên tử và các thành phần của nó đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, Niels Bohr đã có thể tiếp cận việc tạo ra các định đề của mình. Điều đầu tiên trong số họ nói rằng nguyên tử có các trạng thái dừng, trong đó nó không thay đổi năng lượng của nó, trong khi các electron chuyển động theo quỹ đạo mà không thay đổi quỹ đạo của chúng. Theo định đề thứ hai, khi một electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ. Nó bằng sự chênh lệch giữa năng lượng của các trạng thái trước đó và sau đó của nguyên tử. Trong trường hợp này, nếu electron nhảy lên quỹ đạo gần hạt nhân hơn, thì năng lượng (photon) sẽ được phát ra, và ngược lại. Mặc dù thực tế là chuyển động của các electron không có nhiều điểm tương đồng với quỹ đạo quỹ đạo nằm hoàn toàn trong một vòng tròn, khám phá của Bohr đã cung cấp một lời giải thích tuyệt vời cho sự tồn tại của mộtquang phổ của nguyên tử hiđrô. Cùng thời gian đó, các nhà vật lý Hertz và Frank, sống ở Đức, đã xác nhận những lời dạy của Niels Bohr về sự tồn tại của trạng thái tĩnh, ổn định của nguyên tử và khả năng thay đổi các giá trị của năng lượng nguyên tử.
Sự hợp tác của hai nhà khoa học
Nhân tiện, Rutherford không thể xác định điện tích của hạt nhân trong một thời gian dài. Các nhà khoa học Marsden và Geiger đã cố gắng kiểm tra lại các tuyên bố của Ernest Rutherford và kết quả của các thí nghiệm và tính toán chi tiết, cẩn thận, đã đưa ra kết luận rằng hạt nhân là đặc tính quan trọng nhất của nguyên tử, và tất cả các điện tích của nó. được tập trung trong đó. Sau đó người ta chứng minh được rằng giá trị của điện tích hạt nhân bằng số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố D. I. Mendeleev. Điều thú vị là Niels Bohr đã sớm gặp Rutherford và hoàn toàn đồng ý với quan điểm của anh. Sau đó, các nhà khoa học đã làm việc cùng nhau trong một thời gian dài trong cùng một phòng thí nghiệm. Mô hình của Rutherford, nguyên tử như một hệ thống bao gồm các hạt mang điện cơ bản - tất cả những gì Niels Bohr cho là công bằng và mãi mãi gạt mô hình điện tử của ông sang một bên. Hoạt động khoa học chung của các nhà khoa học đã rất thành công và đơm hoa kết trái. Mỗi người trong số họ đều đi sâu vào nghiên cứu tính chất của các hạt cơ bản và có những khám phá quan trọng cho khoa học. Rutherford sau đó đã phát hiện và chứng minh khả năng phân hủy hạt nhân, nhưng đây là chủ đề cho một bài báo khác.
