Avastustest aatomiehituse vallas on saanud füüsika arengu oluline samm. Rutherfordi mudelil oli suur tähtsus. Täpsem alt ja detailsem alt on uuritud aatomit kui süsteemi ja selle moodustavaid osakesi. See viis sellise teaduse nagu tuumafüüsika eduka arenguni.
Iidsed ideed mateeria struktuuri kohta
Eeldus, et ümbritsevad kehad koosnevad kõige väiksematest osakestest, tehti iidsetel aegadel. Tollased mõtlejad kujutasid aatomit kui mis tahes aine väikseimat ja jagamatut osakest. Nad väitsid, et universumis pole midagi väiksemat kui aatom. Sellistel seisukohtadel olid Vana-Kreeka suured teadlased ja filosoofid - Demokritos, Lucretius, Epikuros. Nende mõtlejate hüpoteesid on tänapäeval ühendatud "iidse atomismi" nime all.
Keskaegsed etendused
Antiigi ajad on möödas ja keskajal oli ka teadlasi, kes tegid erinevaid oletusi ainete ehituse kohta. Siiski on juured religioossete filosoofiliste vaadete ülekaal ja kiriku võim sellel ajalooperioodil.surus maha kõik inimmõistuse katsed ja püüdlused materialistlike teaduslike järelduste ja avastuste poole. Teatavasti käitus keskaegne inkvisitsioon tolleaegse teadusmaailma esindajatega väga ebasõbralikult. Jääb üle tõdeda, et tollastel helgetel peadel oli antiikajast pärit idee aatomi jagamatusest.
18.–19. sajandi uuringud
18. sajandit iseloomustasid tõsised avastused aine elementaarstruktuuri vallas. Suuresti tänu selliste teadlaste nagu Antoine Lavoisier, Mihhail Lomonosov ja John D alton pingutustele. Üksteisest sõltumatult suutsid nad tõestada, et aatomid on tõesti olemas. Kuid nende sisemise struktuuri küsimus jäi lahtiseks. 18. sajandi lõppu tähistas teadusmaailmas selline märkimisväärne sündmus nagu D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi avastamine. See oli tolle aja tõeliselt võimas läbimurre ja kergitas loori arusaam alt, et kõigil aatomitel on ühtne olemus, et nad on üksteisega seotud. Hiljem, 19. sajandil, oli veel üks oluline samm aatomi struktuuri lahtiharutamise suunas tõestada, et ükskõik milline neist sisaldab elektroni. Selle perioodi teadlaste töö valmistas ette viljaka pinnase 20. sajandi avastusteks.
Thomsoni katsed
Inglise füüsik John Thomson tõestas 1897. aastal, et aatomid sisaldavad negatiivse laenguga elektrone. Selles etapis hävitati lõplikult valed ettekujutused, et aatom on mis tahes aine jaguvuse piir. KuidasKas Thomson suutis elektronide olemasolu tõestada? Oma katsetes asetas teadlane elektroodid väga haruldastesse gaasidesse ja lasi läbi elektrivoolu. Tulemuseks olid katoodkiired. Thomson uuris hoolik alt nende omadusi ja leidis, et need on laetud osakeste voog, mis liiguvad suurel kiirusel. Teadlane suutis arvutada nende osakeste massi ja nende laengu. Samuti sai ta teada, et neid ei saa muuta neutraalseteks osakesteks, kuna elektrilaeng on nende olemuse aluseks. Nii avastati elektronid. Thomson on ka maailma esimese aatomi ehitusmudeli looja. Selle järgi on aatom positiivselt laetud aine hunnik, milles negatiivselt laetud elektronid on ühtlaselt jaotunud. See struktuur selgitab aatomite üldist neutraalsust, kuna vastandlaengud tasakaalustavad üksteist. John Thomsoni katsed said aatomi struktuuri edasisel uurimisel hindamatuks. Paljud küsimused jäid aga vastuseta.
Rutherford Research
Thomson avastas elektronide olemasolu, kuid tal ei õnnestunud leida aatomist positiivselt laetud osakesi. Ernest Rutherford parandas selle arusaamatuse 1911. aastal. Katsete käigus, uurides alfaosakeste aktiivsust gaasides, avastas ta, et aatomis on positiivselt laetud osakesi. Rutherford nägi, et kui kiired läbivad gaasi või läbi õhukese metallplaadi, kaldub väike hulk osakesi liikumistrajektoorist järsult kõrvale. Nad visati sõna otseses mõttes tagasi. Teadlane arvas sedaseda käitumist seletatakse kokkupõrkega positiivselt laetud osakestega. Sellised katsed võimaldasid füüsikul luua Rutherfordi mudeli aatomi struktuuri kohta.
Planeedimudel
Nüüd erinesid teadlase ideed John Thomsoni oletustest. Ka nende aatomimudelid muutusid erinevaks. Rutherfordi kogemus võimaldas tal luua selles valdkonnas täiesti uue teooria. Teadlase avastused olid füüsika edasise arengu jaoks määrava tähtsusega. Rutherfordi mudel kirjeldab aatomit kui tuuma, mis asub keskel, ja selle ümber liikuvaid elektrone. Tuumal on positiivne laeng ja elektronidel negatiivne laeng. Rutherfordi aatomimudel eeldas elektronide pöörlemist ümber tuuma mööda teatud trajektoore – orbiite. Teadlase avastus aitas selgitada alfaosakeste kõrvalekalde põhjust ja sai tõuke aatomi tuumateooria väljatöötamiseks. Rutherfordi aatomimudelis on analoogia päikesesüsteemi planeetide liikumisega ümber päikese. See on väga täpne ja ilmekas võrdlus. Seetõttu nimetati Rutherfordi mudelit, milles aatom liigub ümber tuuma orbiidil, planetaarseks.
Niels Bohri teosed
Kaks aastat hiljem püüdis Taani füüsik Niels Bohr ühendada ideid aatomi struktuuri kohta valgusvoo kvantomadustega. Teadlane pani oma uue teooria aluseks Rutherfordi aatomi tuumamudeli. Bohri järgi tiirlevad aatomid ümber tuuma ringikujulistel orbiitidel. Selline liikumistrajektoor viib kiirendusenielektronid. Lisaks kaasneb nende osakeste Coulombi interaktsiooniga aatomi keskmega energia teke ja kulumine elektronide liikumisest tekkiva ruumilise elektromagnetvälja säilitamiseks. Sellistes tingimustes peavad negatiivselt laetud osakesed ühel päeval tuumale langema. Kuid seda ei juhtu, mis näitab aatomite kui süsteemide suuremat stabiilsust. Niels Bohr mõistis, et Maxwelli võrranditega kirjeldatud klassikalise termodünaamika seadused ei toimi aatomisisestes tingimustes. Seetõttu seadis teadlane endale ülesandeks tuletada uusi mustreid, mis kehtiksid elementaarosakeste maailmas.
Bohri postulaadid
Suuresti tänu sellele, et Rutherfordi mudel oli olemas, aatom ja selle komponendid olid hästi uuritud, suutis Niels Bohr läheneda oma postulaatide loomisele. Esimene neist ütleb, et aatomil on statsionaarsed seisundid, milles ta ei muuda oma energiat, samal ajal kui elektronid liiguvad orbiitidel ilma oma trajektoori muutmata. Teise postulaadi kohaselt, kui elektron liigub ühelt orbiidilt teisele, siis energia vabaneb või neeldub. See on võrdne aatomi eelneva ja järgneva oleku energiate vahega. Sellisel juhul, kui elektron hüppab tuumale lähemal olevale orbiidile, eraldub energia (footon) ja vastupidi. Hoolimata asjaolust, et elektronide liikumine ei sarnane rangelt ringis paikneva orbiidi trajektooriga, andis Bohri avastus suurepärase seletuse valitseva orbiidi olemasolule.vesinikuaatomi spekter. Umbes samal ajal kinnitasid Saksamaal elanud füüsikud Hertz ja Frank Niels Bohri õpetusi aatomi statsionaarsete, stabiilsete olekute olemasolust ja aatomienergia väärtuste muutmise võimalusest.
Kahe teadlase koostöö
Muide, Rutherford ei suutnud pikka aega tuuma laengut määrata. Teadlased Marsden ja Geiger püüdsid Ernest Rutherfordi väiteid uuesti kontrollida ning jõudsid üksikasjalike ja hoolikate katsete ja arvutuste tulemusena järeldusele, et aatomi kõige olulisem omadus on tuum ja kogu selle laeng. on sellesse koondunud. Hiljem tõestati, et tuuma laengu väärtus on arvuliselt võrdne elemendi järjekorranumbriga D. I. Mendelejevi elementide perioodilises süsteemis. Huvitaval kombel kohtus Niels Bohr peagi Rutherfordiga ja nõustus täielikult tema seisukohtadega. Seejärel töötasid teadlased pikka aega ühes laboris. Rutherfordi mudel, aatom kui elementaarsetest laetud osakestest koosnev süsteem – kõike seda pidas Niels Bohr õiglaseks ja jättis oma elektroonilise mudeli igaveseks kõrvale. Teadlaste ühine teadustegevus oli väga edukas ja kandis vilja. Igaüks neist süvenes elementaarosakeste omaduste uurimisse ja tegi teaduse jaoks olulisi avastusi. Rutherford avastas ja tõestas hiljem tuuma lagunemise võimaluse, kuid see on teise artikli teema.
