اکتشافات در زمینه ساختار اتمی به گام مهمی در توسعه فیزیک تبدیل شده است. مدل رادرفورد از اهمیت زیادی برخوردار بود. اتم به عنوان یک سیستم و ذرات تشکیل دهنده آن با دقت و جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار گرفته است. این منجر به توسعه موفقیت آمیز علمی مانند فیزیک هسته ای شد.
ایده های باستانی درباره ساختار ماده
این فرض که اجسام اطراف از کوچکترین ذرات تشکیل شده اند در زمان های قدیم ساخته شده است. متفکران آن زمان اتم را به عنوان کوچکترین و تقسیم ناپذیرترین ذره هر ماده معرفی می کردند. آنها استدلال کردند که هیچ چیز در جهان کوچکتر از یک اتم وجود ندارد. چنین دیدگاه هایی توسط دانشمندان و فیلسوفان بزرگ یونان باستان - دموکریتوس، لوکرتیوس، اپیکوروس وجود داشت. فرضیه های این متفکران امروزه تحت عنوان «اتمیسم باستانی» متحد شده است.
اجراهای قرون وسطایی
دوران باستان گذشته است و در قرون وسطی دانشمندانی نیز وجود داشتند که فرضیات مختلفی در مورد ساختار مواد مطرح می کردند. با این حال، غلبه دیدگاه های فلسفی دینی و قدرت کلیسا در آن دوره از تاریخ ریشه دارد.هر گونه تلاش و آرزوی ذهن انسان برای نتیجه گیری ها و اکتشافات علمی مادی گرایانه را سرکوب کرد. همانطور که می دانید، تفتیش عقاید قرون وسطایی با نمایندگان دنیای علمی آن زمان بسیار غیر دوستانه رفتار کرد. باید گفت که ذهن های درخشان آن زمان ایده ای داشتند که از دوران باستان در مورد تجزیه ناپذیری اتم آمده بود.
مطالعات قرن 18-19
قرن هجدهم با اکتشافات جدی در زمینه ساختار اولیه ماده مشخص شد. تا حد زیادی به لطف تلاش های دانشمندانی مانند آنتوان لاووازیه، میخائیل لومونوسوف و جان دالتون. آنها مستقل از یکدیگر توانستند ثابت کنند که اتم ها واقعاً وجود دارند. اما مسئله ساختار داخلی آنها همچنان باز بود. پایان قرن هجدهم با چنین رویداد مهمی در جهان علمی مانند کشف سیستم تناوبی عناصر شیمیایی توسط D. I. Mendeleev مشخص شد. این یک پیشرفت واقعاً قدرتمند در آن زمان بود و پرده را بر این درک برداشت که همه اتم‌ها دارای یک ماهیت واحد هستند، که آنها به یکدیگر مرتبط هستند. بعدها، در قرن نوزدهم، گام مهم دیگری برای کشف ساختار اتم، اثبات وجود الکترون در هر یک از آنها بود. کار دانشمندان این دوره زمینه مساعدی را برای اکتشافات قرن بیستم فراهم کرد.
آزمایشات تامسون
فیزیکدان انگلیسی جان تامسون در سال 1897 ثابت کرد که اتم ها حاوی الکترون هایی با بار منفی هستند. در این مرحله، ایده های نادرست که اتم حد تقسیم پذیری هر ماده ای است، سرانجام از بین رفت. چگونهتامسون توانست وجود الکترون ها را اثبات کند؟ در آزمایشات خود، دانشمند الکترودها را در گازهای بسیار کمیاب قرار داد و جریان الکتریکی را از خود عبور داد. نتیجه اشعه کاتدی بود. تامسون به دقت ویژگی های آنها را مطالعه کرد و دریافت که آنها جریانی از ذرات باردار هستند که با سرعت زیادی حرکت می کنند. این دانشمند توانست جرم این ذرات و بار آنها را محاسبه کند. او همچنین دریافت که نمی توان آنها را به ذرات خنثی تبدیل کرد، زیرا بار الکتریکی اساس ماهیت آنها است. به این ترتیب الکترون ها کشف شدند. تامسون همچنین خالق اولین مدل ساختار اتم در جهان است. بر اساس آن، اتم دسته ای از ماده با بار مثبت است که در آن الکترون های دارای بار منفی به طور مساوی توزیع شده اند. این ساختار بی طرفی کلی اتم ها را توضیح می دهد، زیرا بارهای مخالف یکدیگر را متعادل می کنند. آزمایشات جان تامسون برای مطالعه بیشتر ساختار اتم بسیار ارزشمند شد. با این حال، بسیاری از سوالات بی پاسخ ماندند.
تحقیق رادرفورد
تامسون وجود الکترون ها را کشف کرد، اما نتوانست ذرات باردار مثبت را در اتم پیدا کند. ارنست رادرفورد در سال 1911 این سوء تفاهم را اصلاح کرد. در طی آزمایشات، با مطالعه فعالیت ذرات آلفا در گازها، او متوجه شد که ذرات با بار مثبت در اتم وجود دارد. رادرفورد دید که وقتی پرتوها از یک گاز یا از یک صفحه فلزی نازک عبور می کنند، تعداد کمی از ذرات به شدت از مسیر حرکت منحرف می شوند. آنها به معنای واقعی کلمه به عقب پرتاب شدند. دانشمند این را حدس زداین رفتار با برخورد با ذرات باردار مثبت توضیح داده می شود. چنین آزمایشاتی به فیزیکدان اجازه داد تا مدل رادرفورد را از ساختار اتم ایجاد کند.
مدل سیاره ای
حالا ایده های دانشمند تا حدودی با فرضیات جان تامسون متفاوت بود. مدل اتم های آنها نیز متفاوت شد. تجربه رادرفورد به او اجازه داد تا نظریه ای کاملاً جدید در این زمینه ایجاد کند. اکتشافات این دانشمند برای توسعه بیشتر فیزیک اهمیت تعیین کننده ای داشت. مدل رادرفورد یک اتم را به عنوان هسته ای که در مرکز قرار دارد و الکترون ها در اطراف آن حرکت می کنند، توصیف می کند. هسته دارای بار مثبت و الکترون ها دارای بار منفی هستند. مدل رادرفورد از اتم، چرخش الکترون‌ها به دور هسته را در طول مسیرهای معینی - مدارها، فرض می‌کرد. کشف این دانشمند به توضیح دلیل انحراف ذرات آلفا کمک کرد و انگیزه ای برای توسعه نظریه هسته ای اتم شد. در مدل رادرفورد از اتم، قیاسی با حرکت سیارات منظومه شمسی به دور خورشید وجود دارد. این یک مقایسه بسیار دقیق و واضح است. بنابراین، مدل رادرفورد، که در آن اتم در یک مدار به دور هسته حرکت می کند، سیاره ای نامیده شد.
آثار نیلز بور
دو سال بعد، فیزیکدان دانمارکی، نیلز بور، سعی کرد ایده های مربوط به ساختار اتم را با خواص کوانتومی شار نور ترکیب کند. مدل هسته ای رادرفورد از اتم توسط این دانشمند به عنوان مبنای نظریه جدید خود قرار گرفت. به گفته بور، اتم ها در مدارهای دایره ای به دور هسته می چرخند. چنین مسیر حرکتی منجر به شتاب می شودالکترون ها علاوه بر این، برهمکنش کولنی این ذرات با مرکز اتم با ایجاد و مصرف انرژی برای حفظ میدان الکترومغناطیسی فضایی ناشی از حرکت الکترون ها همراه است. در چنین شرایطی، ذرات با بار منفی باید روزی بر روی هسته بیفتند. اما این اتفاق نمی افتد، که نشان دهنده پایداری بیشتر اتم ها به عنوان سیستم است. نیلز بور متوجه شد که قوانین ترمودینامیک کلاسیک توصیف شده توسط معادلات ماکسول در شرایط درون اتمی کار نمی کنند. بنابراین، دانشمند وظیفه خود را به دست آورد که الگوهای جدیدی را که در دنیای ذرات بنیادی معتبر هستند، استخراج کند.
فرضای بور
عمدتاً به دلیل این واقعیت که مدل رادرفورد وجود داشت، اتم و اجزای آن به خوبی مورد مطالعه قرار گرفتند، نیلز بور توانست به ایجاد اصول خود نزدیک شود. اولین آنها می گوید که اتم حالت های ساکنی دارد که در آن انرژی خود را تغییر نمی دهد، در حالی که الکترون ها بدون تغییر مسیر خود در مدارها حرکت می کنند. طبق فرض دوم، وقتی یک الکترون از مداری به مدار دیگر حرکت می کند، انرژی آزاد یا جذب می شود. برابر است با تفاوت بین انرژی های حالت های قبلی و بعدی اتم. در این حالت، اگر الکترون به مداری نزدیکتر به هسته بپرد، انرژی (فوتون) ساطع می شود و بالعکس. علیرغم این واقعیت که حرکت الکترون ها شباهت کمی به یک مسیر مداری که دقیقاً در یک دایره قرار دارد، دارد، کشف بور توضیح عالی برای وجود یک قاعده ارائه داد.طیف اتم هیدروژن تقریباً در همان زمان، فیزیکدانان هرتز و فرانک که در آلمان زندگی می کردند، آموزه های نیلز بور را در مورد وجود حالت های ثابت و پایدار اتم و امکان تغییر مقادیر انرژی اتمی تأیید کردند.
همکاری دو دانشمند
به هر حال، رادرفورد برای مدت طولانی نمی توانست بار هسته را تعیین کند. دانشمندان مارسدن و گایگر سعی کردند اظهارات ارنست رادرفورد را دوباره بررسی کنند و در نتیجه آزمایش ها و محاسبات دقیق و دقیق به این نتیجه رسیدند که این هسته است که مهمترین ویژگی اتم و تمام بار آن است. در آن متمرکز شده است. بعداً ثابت شد که مقدار بار هسته از نظر عددی برابر با عدد ترتیبی عنصر در سیستم تناوبی عناصر D. I. مندلیف است. جالب اینجاست که نیلز بور خیلی زود با رادرفورد ملاقات کرد و کاملاً با نظرات او موافق بود. پس از آن، دانشمندان برای مدت طولانی در یک آزمایشگاه با هم کار کردند. مدل رادرفورد، اتم به عنوان یک سیستم متشکل از ذرات باردار اولیه - همه اینها را نیلز بور منصفانه دانست و مدل الکترونیکی خود را برای همیشه کنار گذاشت. فعالیت علمی مشترک دانشمندان بسیار موفق بود و به ثمر نشست. هر یک از آنها به مطالعه خواص ذرات بنیادی پرداختند و اکتشافات مهمی برای علم انجام دادند. رادرفورد بعداً امکان تجزیه هسته ای را کشف و اثبات کرد، اما این موضوع برای مقاله دیگری است.
