Klasszikus atommodellek Összeállította: CSISZÁR IMRE SZTE, Ságvári E. Gyakorló Gimnázium SZEGED, 2004. február Ha egy világkatasztrófa következtében minden tudományos ismeretanyag megsemmisülne és csak egyetlenegy mondat maradna örökségül a következ civilizációra, mi lenne az a mondat, amely a legtömörebb megfogalmazásban a legtöbb információt sürítené magában? Úgy vélem ennek a mondatnak az atomok hipotézisét (vagy ha úgy tetszik, az atomok létezésének tényét) kellene tartalmaznia: azt, hogy minden dolog atomokból épül fel - állandóan mozgó kis részecskékb l, amelyek vonzzák egymást ha kis távolságra vannak, és taszítják egymást, ha egyiket a másikba préselik....ez a megállapítás hihetetlen mennyiség információt tartalmaz a világról, csupán egy kis logika és fantázia kell hozzá. (Richard P. Feynman, Nobel-díjas fizikus) Az egyik legnehezebb kérdés, amire már az ókori görög tudomány is megpróbált választ adni: mib l áll a világ? Demokritosz Demokritosz (460-370) Kr.e. V.sz. A világot homogén szubsztanciájú oszthatatlan részecskék, atomok és a közöttük lév r alkotja. (atomosz = oszthatatlan) atomok közt nincs minségi különbség a tárgyak különbsége atomjaik száma, nagysága, alakja és rendje szerinti különbségtl függ az atomok száma és alakja végtelen nem beszél az atomok közti kölcsönhatásokról természetfilozófiai hipotézis Epikürosz Kr.e. IV.sz. az atomokat különböz horgokkal és kapcsokkal képzeli el. (kapcsok eltörnek: víz elpárolog - lecsapódik???) Arisztotelész Kr.e. IV.sz. nem léteznek atomok az anyag folyamatosan osztható horror vacui elmélet Arisztotelész (Kr.e. 384-322) a jelenségek oka az selemek, illetve az stulajdonságok arányának tetszleges megváltozása. 1
Daniel Sennert párolgás, szublimáció, oldódás (1572-1637) német orvos magyarázatára nyúl vissza az atomfogalomhoz az anyagok szaga is szükségszeren feltételezi, hogy az igen kicsi részecskék elszabaduljanak belle elsrend atomok, a tz, a leveg, a víz és a földatomok másodrend atomok, melyek a négy elembl képzett testek a másodrend atomok vegyüléseibl képzdhetnek újabb összetett testek 1624. augusztus 24-én Párizs vitaülést szerveznek, melynek célja az atomelmélet védelme kudarc Pierre Gassendi (1592-1655) francia pap Torricelli kísérlet a testeken belül is üres terek vannak, amelyekben az atomok mozognak atomok egy sanyag legkisebb, tovább már nem osztható részecskéi anyagilag azonosak, de nagyságuk, tömegük és alakjuk szerint különbözek az atomokból kis képzdmények jöhetnek létre, amelyeket molekulának nevezett Elfogadtatta az atomelméletet az egyházzal. Az általa felépített elméletben ugyanis az atomok mozgását nem a véletlen, hanem Isten irányítja és mint más földi dolgok, az atomok sem örökkévalók. Daniel Bernoulli (azaz a h az anyag részecskéinek mozgásával magyarázható) természettudományi hipotézis Antoine Lavoisier 1790 az elem fogalma (az elemeket sem fizikai sem kémiai módszerekkel nem lehet tovább bontani) Joseph Proust John Dalton John Dalton (1766-1844) 1738 a gáz száguldó apró részecskékbl áll 1799 állandó tömegviszonyok törvénye 1808 többszörös tömegviszonyok törv. kísérleti eredményeket az atomok létezésével magyarázta és bizonyította ugyanazon elem atomjai minden tulajdonságban hasonlítanak egymáshoz a különböz elemek atomjai különbözek atomtömeg táblázat Állandó tömegviszonyok törvénye: Egy adott vegyületben az alkotórészek tömegaránya állandó, (pl. víz esetén 2:16) Többszörös tömegviszonyok törvénye: Ha két elem egymással többféle tömegarány szerint egyesül vegyületté, akkor az egyik elem változó mennyiségei, amelyek a másik elem állandó mennyiségével reagálnak, úgy aránylanak egymáshoz, mint az egészszámok. pl. nitrogén és oxigén ötféle tömegarány szerint alkot vegyületet: Megnevezés Jel N (%) O (%) m N:m O m N:m O Dinitrogén-oxid N2O 63,7 36,3 1:0.57 1:1*0.57 Nitrogén-monoxid NO 46,7 53,3 1:1.14 1:2*0.57 Dinitrogén-dioxid N2O2 36,8 63,2 1:1.71 1:3*0.57 Nitrogén-dioxid NO2 30,4 69,6 1:2.28 1:4*0.57 Dinitrogén-pentaoxid N2O5 25,9 74,1 1:2.85 1:5*0.57 2
Amadeo Avogadro 1811 azonos p, V, T - gázokban azonos számú részecske van Michael Faraday 1833 az elektromos töltés is atomos Clausius, J. C. Maxwell, 1850 kinetikus gázelmélet W. Thomson, L. Boltzmann atomhipotézis atomelmélet Mengyelejev Dimitrij Ivanovics Mengyelejev (1834-1907) 1869 elemek periódusos rendszere (a növekv atomtömeg szerint felsorakoztatott elemek tulajdonságaiban szakaszosság mutatkozik) Thomson-féle atommodell (1904) J. J. Thomson 1897 elektron felfedezése a katódsugarak tanulmányozása során kimutatta, hogy azok kisméret, negatív töltés részecskékbl állnak, bármilyen atommal is végezzük el a kísérleteket Joseph John Thomson (1856-1940) az elektron minden anyagnak része, minden atomban jelen van. Az elektron felfedezése nyomán szertefoszlott az atom oszthatatlanságába vetett hit. Thomson-féle atommodell (1904) Thomson elképzelése szerint az egészében véve semleges atom pozitív töltése egyenletesen oszlik el egy tömör a kinetikus gázelméletnek megfelelen kb. 10 10 m sugarú gömbben. Ennek belsejében vannak a pontszer elektronok, hasonlóan ahhoz, amint a pudingban a mazsolák. Ezért ezt a modellt mazsolás puding modellnek is szokás nevezni. Thomson-féle atommodell (1904) Thomson elmélete szerint az elektronok a pozitív töltésfelhben a középpontra szimmetrikusan helyezkednek el. Nagyszámú elektron esetében koncentrikus gyrrendszert alkotnak. (Ez már magában rejti az elektronok héjszerkezetét.) Az elektronelrendezdésnek ily módon ismétld szakaszai vannak, ami már a periódusos rendszer magyarázatának a csíráját is magában hordozza. 3
Thomson-féle atommodell (1904) Az elektronokat harmonikus (a kitéréssel egyenesen arányos) er Lénárd Fülöp: az atom egy része valószínüleg üres! tartja egyensúlyi helyzetben. (vékony fémfólián keresztül ki tudta vezetni a katódsugárzást) Ha az atom egyensúlyát egy küls er megzavarja, akkor az elektronok rezegni kezdenek. Az ily módon rezg kötött elektronok segítségével magyarázta az atomok fénykibocsátását. A modell matematikai megfogalmazásának felhasználásával sikerült olyan rezgésszámot kihozni, amely a fény frekvenciájának nagyságrendjébe esik. J. J. Thomson kiemelked munkásságát 1906-ban Nobel-díjjal jutalmazták. az atomban a pozitív töltések nincsenek elkenve, mint azt Thomson gondolta, hanem bizonyos helyeken koncentrálódnak A pozitív töltés kis anyagdarabkákat dinamidoknak nevezte (dinamidmodell) Ez adta az alapötletet Rutherford számára, hogy kísérletileg megvizsgálja, hogy mennyire üres az atom belseje, hogyan helyezkednek el benne a pozitív töltések. E. Rutherford 1909-1911: szóráskísérlet igen vékony (1µm) aranyfóliát bombáztak α -részecskékkel az aranyfóliát szcintillációs lemezzel vették körül (α-rész. detektálása) Ernest Rutherford (1871-1937) 4
az α-részecskék legnagyobb része zavartalanul áthatolt a fólián, egyrészük eltérült és igen kis részük (kb. minden 10.000-dik) közel 180 -os eltérülést szenvedett... ezt a példát arra szeretném felhasználni, hogy bemutassam, milyen gyakran véletlenül bukkan az ember fontos eredményekre. Régebben vizsgáltam az α - részek szórását, és dr.geiger a laboratóriumomban a részletek felderítésén fáradozott. Azt találta, hogy nehézfémekb l készült vékony lemezkéken a szórás általában kicsi, egy fok nagyságrend. Egy napon Geiger bejött hozzám, és azt kérdezte: Nem gondolja, hogy a fiatal Marsden, akit most vezettek be a radioaktív módszerek alkalmazásába, kezdhetne egy kis kutatómunkát? Magam is így gondoltam, és azt válaszoltam: Mért ne kereshetne nagy szögben szóródó a -részeket? Bizalmasan elmondhatom önöknek, hogy nem hittem abban, hogy vannak egyáltalán ilyenek, mert tudtuk, hogy az α-részek nagyon gyors, nehéz részek, nagy energiával, és meg lehet mutatni, hogy ha a szórás egymást követ kis eltérülések felgyülemléséb l származó effektus, akkor kevéssé valószín, hogy egy α- rész hátra szóródjon. Azután, úgy emlékszem, két vagy három nappal kés bb Geiger izgatottan jött hozzám. Találtunk néhány hátrafelé szórt α - részt, mondta. Ez volt a leghihetetlenebb dolog, ami életem során történt velem. Csaknem annyira hihetetlen volt, mintha egy 15 colos gránáttal l ne valaki egy selyempapírra, és az visszapattanva eltalálna engem. Gondolkoztam a dolgon, és rájöttem, hogy ez a hátrafelé szórás egyetlen ütközés eredménye kell legyen, és amikor számításokat végeztem, láttam, hogy lehetetlen bármilyen hasonló nagyságrend hatást kapni annak feltételezése nélkül, hogy az atom olyan rendszer, mely tömegének nagy része egy nagyon kis magban van egyesítve. Ekkor támadt az a gondolatom, hogy az atomban egy kicsi, nagy tömeg töltéshordozó mag van. Matematikai úton meghatároztam, milyen törvénynek kell eleget tegyen a szórás, és azt kaptam, hogy egy adott szögben szórt részecskék száma arányos a fólia vastagságával, a mag töltésének négyzetével, és fordítva arányos a sebesség negyedik hatványával. Ezeket a következtetéseket Geiger és Marsden gyönyör kísérletsorozattal igazolta. A kísérletekbl a szórócenrtumra levont következtetések: 1. pozitív töltés 2. igen kis térrészben koncentrált (minden 10000-dik szóródik vissza ) 3. nagy tömeg az α -részecskéhez képest (csak így tud róla visszapattanni ) Az eredményt nem lehetett a Thomson-modellel magyarázni, hiszen az atom belül lényegében üres Rutherford ezt a részt atommagnak nevezte el, s a szóródási képek elemzésével képes volt megbecsülni a méretét is (kb.10 15 m) 5
Egy Z rendszámú elem atomjának tömege túlnyomórészt a Z e pozitív töltés, kb. 10 15 m sugarú atommagban összpontosul A mag körül körpályákon kering kb. 10 10 m távolságban a Z számú elektron, melyeket a mag elektrosztatikus vonzóereje tart körpályán. Az e -k hasonlóan helyezkednek el, mint ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül, ezért naprendszer-modell -nek nevezzük Az atommodell alapvet hiányossága, hogy egy ilyen atom nem lehet stabil, mert a körpályán kering elektron az elektrodinamika törvényei értelmében energiát sugározna ki, így kb. 10 9 másodperc alatt spirális pályán a magba zuhanna. Az elektron körpályán mozog, mely két egymásra merleges harmonikus rezgés eredjének tekinthet. A rezg dipólus elektromágneses hullámokat, azaz energiát bocsát ki, tehát az elektronoknak is ezt kellen tennie. Az energiakisugárzás miatt az elektron folytonosan energiát veszítene, így a maghoz egyre közelebbi pályán, vagyis spirális mentén mozogna egyre nagyobb sebességgel, és végül a magba zuhanna. 6