原子のモデル – ラザフォードのモデル

原子の構造を記述するために提案された最も初期のモデルの 1 つは、J.J トムソンによって提案されたプラム プディング モデルでした。それは、原子が正電荷の均一な球体で構成されており、その内部に小さな負に帯電した粒子 (電子) があることを示しています。

このモデルの有効性をテストするために、アーネスト ラザフォードは 1911 年に実験を行い、正に帯電したアルファ粒子を金属板に衝突させ、たわみパターンを調べました。その後、彼は金箔と相互作用した後、これらの粒子の経路を研究し始めました.

ラザフォードは彼の実験で、金の薄いシート (通常は 100 nm の厚さ) に放射性物質からアルファ粒子の高エネルギーの流れを送りました。アルファ粒子に生じた偏差を研究するために、彼は蛍光亜鉛硫化スクリーンをこの薄い金箔の周りに配置しました。ラザフォードは、トムソンの原子モデルと矛盾する特定の観察を行い、ラザフォードの原子モデルと呼ばれる新しいモデルを与えました。

ラザフォードの実験

ラザフォードの原子モデルは、太陽原子、核原子、または原子の惑星モデルとしても知られ、原子の構造を説明しています。ニュージーランド生まれの物理学者アーネスト・ラザフォードは、電子が原子内でどのように配置されているかを知ることに興味を持っていました。彼はこのための実験を計画しました。この実験では、動きの速いアルファ粒子を薄い金箔に落としました。

これは、ラザフォードが原子内の正電荷と負電荷の分布を正しく説明することにつながった重要な実験です。

アルファ粒子源は、リード キャビティに配置されます。光源から放出されたアルファ粒子は、鉛と照明の助けを借りて狭いビームにコリメートされます。コリメートされたビームは、厚さ 2.1 × 107m 程度の薄い金箔に入射します。散乱したアルファ粒子は、硫化亜鉛スクリーンと顕微鏡からなる回転可能な検出器を通して観察されました。画面に衝突したアルファ粒子はシンチレーションを生成し、入射ビームの方向からさまざまな角度で観察およびカウントできます。

観察

散乱角と散乱したアルファ粒子 N() の数の間にグラフがプロットされます。

(i) ほとんどのアルファ粒子は金箔をまっすぐ通過するか、小さな角度で偏向することが判明し、それらの角度分布は固定されています。

(ii) 非常に少数のアルファ粒子が大きな角度 (900 を超える角度) で散乱していることがわかりました

(iii) 非常に少数のアルファ粒子 (約 8000 分の 1) が、実際にその経路をたどりました。

(iv) アルファ粒子が放棄されることはめったにありません。つまり、1800 度の角度で散乱されます。

結果

多数のアルファ粒子が原子を逸脱せずに通過することは、原子のほとんどの部分が内部が空洞であることを示しています。

小さな角度によるアルファ粒子の散乱は、散乱の原因となる原子の位置も正電荷を持っている必要があることを示しています。さらに、散乱アルファ粒子の角度分布は固定された。したがって、正電荷が原子の中心に集中している必要があることを示しています。

経路をたどった非常に少数のアルファ粒子は、原子の正電荷が原子の中心にある非常に小さな空間に集中していることを示しています。

ラザフォードのアルファ散乱実験と呼ばれるラザフォードの有名なアルファ粒子散乱実験によると:

• 原子は、正電荷全体と原子のほぼ全質量が非常に小さい領域に集中している、半径 10 ～ 10 m の球と見なすことができます。核と呼ばれる原子の中心にある領域で、そのサイズは 10 ～ 14 m 程度です。

• すべての可能な半径の円軌道で原子核の周りを回転する適切な数の電子。電子と原子核の間に必要な求心力。

• 原子は全体として電気的に中性です。核を取り囲む電子の総負電荷は、核の総正電荷に等しい.

原子のモデル – ラザフォードのモデルは、原子の安定性と原子の線形スペクトルを説明できませんでした。

ラジウム源はあらゆる方向にアルファ粒子を放出します。ほとんどのアルファ粒子は鉛ブロックに吸収されます。アルファ線の細い鉛筆だけがトンネルから出てきて、金箔の上に落ちます。金原子はアルファ粒子を散乱させます。散乱したアルファ粒子が硫化亜鉛でコーティングされたスクリーン S に落ちると、閃光が発生します。これらの閃光は望遠鏡 T を通して観察されます。

ラザフォードの原子モデルの仮定

ラザフォード原子モデルの制限:

彼の実験に続いて、ラザフォードは原子の惑星モデルを提案しました。原子は、このモードで周回する電子に囲まれた、正に帯電した原子核の小さいながらも非常に濃縮された領域で構成されています。彼は、原子はほとんど空の空間であると正しく主張しました.

惑星が太陽の周りを回るのと同じように、電子は軌道にとどまります。

結局のところ、このモデルはかなり正確でした.

原子核の周りを回っている電子は、中心に向かって絶えず加速されています。ローレンツによれば、加速された荷電粒子は継続的にエネルギーを放射するはずです。したがって、原子においても、回転する電子は継続的にエネルギーを放出するはずです。したがって、その経路の半径は減少し続け、最終的には核に落ちるはずです。したがって、ラザフォード原子モデルは原子の安定性を説明できません。

影響パラメータ

アルファ粒子が原子核 N に遠くから入射したとします。原子核 N を通り、アルファ粒子の運動方向に平行に引かれた線は、正面衝突線と呼ばれます。直線 AB とこの直線の間の垂直距離は、影響パラメータと呼ばれます。これは b で示されます。

失敗した理由

1.個々の原子が離散的な可視光スペクトルを生成する理由を説明できませんでした。ラザフォードのモデルによると、電子が軌道上で加速すると、広い範囲の周波数で電磁放射が発生するはずです。したがって、それらは連続的な光スペクトルを生成する必要があります。ただし、実験では、個々の原子が離散的な線スペクトルを生成することが示されています。

2.ラザフォードのモデルによると、電子は円軌道で加速します。マクスウェルの電磁気学の理論によれば、この電子は光の形でエネルギーを放出します。したがって、電子の運動エネルギーが減少し、速度が低下します。速度が低下すると、電子は軌道にとどまらず、核に渦巻いて入ります。これは、原子が一般的に安定していることを意味します。

観察

• 動きの速いアルファ粒子のほとんどは、金箔をまっすぐ通過します。

• アルファ粒子の一部は、ホイルによって小さな角度で偏向されました。

• 驚くべきことに、12000 粒子ごとに 1 粒子が跳ね返るように見えました.

結論

多くのアルファ粒子は実質的にずれがないため、原子の大部分が空の空間であることを意味します。

軌道から外れる粒子はほとんどなく、原子の正電荷が占有する空間が非常に少ないことを示しています。

アルファ粒子の後方散乱は、原子の大部分が小さな体積の原子に集中していることを示しています。