הרעיון שאטומים הםחלקיקי החומר הקטנים ביותר, התעוררו לראשונה בימי יוון העתיקה. עם זאת, רק בסוף המאה ה-18, הודות לעבודתם של מדענים כמו A. Lavoisier, M. V. Lomonosov וכמה אחרים, הוכח שאטומים קיימים באמת. עם זאת, באותם ימים, איש לא תהה מה היה המבנה הפנימי שלהם. מדענים עדיין ראו באטומים את אבני הבניין הבלתי ניתנות לחלוקה המרכיבות את כל החומר.
ניסיונות להסביר את מבנה האטום
מי הציע את המודל הגרעיני של מבנה האטוםהראשון מכל המדענים? הניסיון הראשון ליצור מודל של חלקיקים אלה היה שייך לג'יי תומסון. עם זאת, אי אפשר לקרוא לזה מוצלח במלוא מובן המילה. אחרי הכל, תומסון האמין שהאטום הוא מערכת כדורית וניטרלית מבחינה חשמלית. יחד עם זאת, המדען הניח שהמטען החיובי מופץ באופן שווה על פני נפח הכדור הזה, ובתוכו יש גרעין בעל מטען שלילי. כל הניסיונות של המדען להסביר את המבנה הפנימי של האטום לא צלחו. ארנסט רתרפורד הוא זה שהציע את המודל הגרעיני של מבנה האטום כמה שנים לאחר שתומסון הציג את התיאוריה שלו.
תולדות המחקר
דרך חקר האלקטרוליזה ב-1833פאראדיי הצליח לקבוע שהזרם בתמיסת אלקטרוליט הוא זרם של חלקיקים טעונים, או יונים. בהתבסס על מחקרים אלה, הוא הצליח לקבוע את המטען המינימלי של יון. גם תפקיד חשוב בפיתוח כיוון זה בפיזיקה שיחק על ידי הכימאי הביתי D.I. מנדלייב. זה היה זה שהעלה לראשונה בחוגים מדעיים את השאלה שלכל האטומים יכול להיות אותו טבע. אנו רואים שלפני שהוצע לראשונה המודל הגרעיני של רתרפורד למבנה האטום, בוצעו מספר רב של ניסויים חשובים לא פחות על ידי מגוון מדענים. הם קידמו את התיאוריה האטומית של מבנה החומר קדימה.
חוויות ראשונות
רתרפורד באמת מבריקמדענים, כי התגליות שלו הפכו את הרעיון של מבנה החומר. בשנת 1911, הוא הצליח להקים ניסוי שבאמצעותו חוקרים הצליחו לבחון את המעמקים המסתוריים של האטום, כדי לקבל מושג מהו המבנה הפנימי שלו. הניסויים הראשונים בוצעו על ידי המדען בתמיכת חוקרים אחרים, אך התפקיד העיקרי בגילוי עדיין היה שייך לרתרפורד.
ניסוי
שימוש במקורות טבעיים של רדיואקטיבייםקרינה ראתרפורד הצליח לבנות תותח שפלט זרם של חלקיקי אלפא. זו הייתה קופסה עשויה עופרת, שבתוכה היה חומר רדיואקטיבי. לתותח היה חריץ שדרכו פגעו כל חלקיקי האלפא במסך העופרת. הם יכלו לעוף החוצה רק דרך החריץ. עוד כמה מסכים עמדו בדרכה של אלומת החלקיקים הרדיואקטיביים הזו.
הם הפרידו חלקיקים שחרגו מהםכיוון שניתן בעבר. קרן ממוקדת לחלוטין של חלקיקי אלפא פגעה במטרה. רתרפורד השתמש בגיליון דק של נייר כסף כמטרה. לאחר שהחלקיקים פגעו בסדין זה, הם המשיכו בתנועתם ובסופו של דבר פגעו במסך הפלורסנט, שהותקן מאחורי מטרה זו. כאשר חלקיקי אלפא פגעו במסך זה, נרשמו הבזקים, שבאמצעותם יכול המדען לשפוט כמה חלקיקים סוטים מהכיוון המקורי בעת התנגשות בנייר הכסף ומה גודל הסטייה הזו.
הבדלים מהתנסויות קודמות
תלמידים וסטודנטים שמתעניינים באלה שהציעו את המודל הגרעיני של מבנה האטום צריכים לדעת שניסויים דומים בוצעו בפיזיקה עוד לפני רתרפורד. הרעיון המרכזי שלהם היה לאסוף מידע רב ככל האפשר על מבנה האטום מהסטיות של חלקיקים מהמסלול המקורי. כל המחקרים הללו הובילו להצטברות של כמות מסוימת של מידע במדע, עוררו הרהור על המבנה הפנימי של החלקיקים הקטנים ביותר.
כבר בתחילת המאה ה-20, מדענים ידעו כי באטום מכיל אלקטרונים בעלי מטען שלילי. אבל בקרב רוב החוקרים הדעה הרווחת הייתה שהאטום מבפנים דומה יותר לרשת מלאה בחלקיקים בעלי מטען שלילי. ניסויים כאלה אפשרו להשיג מידע רב - למשל, לקבוע את הממדים הגיאומטריים של אטומים.
ניחוש גאוני
רתרפורד שם לב שאף אחד שלוקודמים מעולם לא ניסו לקבוע אם חלקיקי אלפא יכולים לסטות בזוויות גדולות מאוד מהמסלול שלהם. המודל הישן, שנקרא לפעמים "פודינג צימוקים" בקרב מדענים (מכיוון שלפי מודל זה, האלקטרונים באטום מפוזרים כמו צימוקים בפודינג), פשוט לא אפשר את קיומם של רכיבים מבניים צפופים בתוך האטום. אף אחד מהמדענים אפילו לא טרח לשקול אפשרות זו. החוקר ביקש מתלמידו לצייד מחדש את המתקן באופן שיירשמו גם סטיות גדולות של חלקיקים מהמסלול - רק כדי לשלול אפשרות כזו. מה הייתה ההפתעה של המדען וגם של תלמידו כשהתברר שחלקיקים מתרחקים בזווית של 180o.
מה יש בתוך אטום?
גילינו מי הציע את המודל הגרעיני של המבנהאטום ומה היה הניסיון של המדען הזה. באותה תקופה, הניסוי של רתרפורד היה פריצת דרך אמיתית. הוא נאלץ להסיק שבתוך האטום, רוב המסה סגורה בחומר צפוף מאוד. הסכימה של המודל הגרעיני של מבנה האטום היא פשוטה ביותר: בפנים יש גרעין טעון חיובי.
חלקיקים אחרים הנקראים אלקטרונים מסתובביםסביב הליבה הזו. השאר הוא מספר סדרי גודל פחות צפוף. סידור האלקטרונים בתוך אטום אינו כאוטי – החלקיקים מסודרים לפי סדר הגדלת האנרגיה. החוקר כינה את החלקים הפנימיים של האטומים גרעינים. השמות שהמדען הציג עדיין בשימוש במדע.
איך להתכונן לשיעור?
אותם תלמידים שמתעניינים באלה אשרהציעו מודל גרעיני של מבנה האטום, הם יכולים להשוויץ בידע נוסף בשיעור. לדוגמה, אתה יכול לספר איך רתרפורד, הרבה אחרי הניסויים שלו, אהב לתת אנלוגיה לגילוי שלו. המדינה הדרום אפריקאית מוברחת עם כלי נשק עבור המורדים, הכלואים בחבילות כותנה. כיצד יכולים קציני המכס לקבוע היכן בדיוק נמצאת אספקה מסוכנת אם כל הרכבת מלאה בחבילות הללו? המוכס יכול להתחיל לירות על החבילות, ואיפה הכדורים יתקשו, ויש נשק. רתרפורד הדגיש כי כך התגלתה התגלית שלו.
תלמידים המתכוננים לענות בנושא זה בשיעור, רצוי להכין תשובות לשאלות הבאות:
1. מי הציע את המודל הגרעיני של מבנה האטום?
2. מה הייתה משמעות הניסוי?
3. הבדל המודל הגרעיני מדגמים אחרים.
חשיבות התיאוריה של רתרפורד
המסקנות הרדיקליות האלה שרתרפורד עשהמהניסויים שלו, גרמו לרבים מבני דורו לפקפק בתקפותו של המודל הזה. אפילו רתרפורד עצמו לא היה יוצא דופן - הוא פרסם את תוצאות המחקר שלו רק שנתיים לאחר הגילוי. בהסתמך על הרעיונות הקלאסיים לגבי איך מיקרו-חלקיקים נעים, הוא הציע מודל פלנטרי גרעיני של מבנה האטום. באופן כללי, לאטום יש מטען ניטרלי. אלקטרונים נעים סביב הגרעין, בדיוק כמו שכוכבי הלכת מסתובבים סביב השמש. תנועה זו מתרחשת עקב כוחות קולומב. נכון לעכשיו, המודל של רתרפורד עבר שכלול משמעותי, אך גילויו של המדען אינו מאבד את הרלוונטיות שלו כיום.
