Solicitud urgente: La historia de un científico que explora la estructura atómica ((esquema))
Después de que el científico alemán Hitov descubriera los rayos catódicos en 1869, un gran número de científicos como Crookes, Hertz, Lerner y Thomson llevaron a cabo investigaciones sobre los rayos catódicos durante más de 20 años. Finalmente, Joseph John Thomson descubrió la existencia de los electrones (visite la "Misteriosa Fluorescencia Verde" en el Parque Científico). Normalmente los átomos no tienen carga eléctrica. Dado que los electrones cargados negativamente que son 1.700 veces más pequeños que su propia masa también pueden escapar del átomo, significa que hay una estructura dentro del átomo. Hay cosas cargadas positivamente dentro del átomo, que deberían neutralizar la carga negativa que transportan los electrones. , haciendo que el átomo sea de sexo neutro.
Además de los electrones, ¿qué más hay en un átomo? ¿Cómo permanecen los electrones en los átomos? ¿Qué tiene carga positiva en un átomo? ¿Cómo se distribuye la carga positiva? ¿Cómo interactúan los electrones cargados negativamente con los objetos cargados positivamente? Los físicos enfrentan muchas preguntas nuevas. Basándose en las prácticas científicas y las observaciones experimentales de la época, los físicos utilizaron su rica imaginación para proponer varios modelos atómicos.
Modelo atómico de estructura planetaria
En 1901, el físico francés Jean-Baptiste Pirin (1870-1942) (izquierda) propuso un modelo estructural, argumentando que en el centro del átomo se encuentran algunas partículas cargadas positivamente, y en la periferia hay algunos electrones en órbita. El período de la órbita del electrón corresponde a la frecuencia de la línea espectral emitida por el átomo, la capa más externa.
Modelo del átomo neutro
En 1902, el físico alemán Learnard (1862-1947) (derecha) propuso un submodelo de dinámica de partículas neutras. Las primeras observaciones de Learnard mostraron que los rayos catódicos podían pasar a través de una ventana de aluminio en un tubo de vacío y alcanzar el exterior del tubo. Basándose en esta observación, demostró en 1903 mediante experimentos de absorción que los rayos catódicos de alta velocidad podían atravesar miles de átomos. Según los semimaterialistas populares de la época, el volumen de los átomos estaba en su mayor parte vacío, y la materia rígida era sólo de aproximadamente 10-9 (es decir, uno entre cien mil). Learnard imaginó la "materia rígida" como una combinación de un gran número de cargas positivas y negativas dispersas en el espacio interno de los átomos.
Modelo de átomo de bola sólida cargada
Lord Kelvin (1824 ~ 1907) (en la foto de la izquierda), un famoso físico e inventor británico, anteriormente conocido como William Tang Musun. Por sus servicios en la instalación del primer cable submarino del Atlántico, el gobierno británico lo nombró caballero en 1866 y 1892. Las investigaciones de Kelvin fueron amplias y realizó aportes en los campos del calor, electromagnetismo, mecánica de fluidos, óptica, geofísica, matemáticas y aplicaciones de ingeniería. Publicó más de 600 artículos a lo largo de su vida y obtuvo 70 patentes de invención. Gozaba de una gran reputación en la comunidad científica de la época. Kelvin propuso el modelo atómico de esfera sólida cargada en 1902, que considera el átomo como una esfera uniformemente cargada positivamente con electrones cargados negativamente enterrados dentro de la esfera, que se encuentra en un estado de equilibrio electrostático en circunstancias normales. Este modelo fue desarrollado más tarde por J.J. Tang Musun y más tarde pasó a ser conocido como el modelo atómico de Tang Musun.
Modelo de pastel de pasas
Joseph John Thomson (1856-1940) (derecha) continuó su investigación más sistemática e intentó describir la estructura atómica. Thomson creía que el átomo contenía una esfera anódica uniforme en la que orbitaban varios electrones negativos. Basándose en los estudios de Alfred Mayer sobre el equilibrio de los imanes flotantes, demostró que el bucle formado por estos electrones en viaje sería estable si el número de electrones no excediera un cierto límite. Si el número de electrones excede este límite, habrá dos anillos, y así sucesivamente. De esta manera, el aumento de electrones conduce a similitudes periódicas en la estructura, y también se puede explicar la repetición repetida de propiedades físicas y químicas en la tabla periódica de Mendeleev.
En el modelo propuesto por Thomson, la distribución de electrones en la esfera es algo así como las pasas en un pastel. Mucha gente llama al modelo atómico de Thomson el "modelo de pastel de pasas". No sólo puede explicar por qué los átomos son eléctricamente neutros y cómo se distribuyen los electrones en los átomos, sino también explicar el fenómeno de los rayos catódicos y el fenómeno de que los metales pueden emitir electrones bajo irradiación ultravioleta. Y según este modelo, se puede estimar que el tamaño de un átomo es de unos 10-8 cm, lo cual es algo asombroso. Debido a que el modelo de Thomson podía explicar muchos hechos experimentales en ese momento, muchos físicos lo aceptaron fácilmente.
Modelo de Saturno
Nagaoka Kantaro (1865-1950) publicó oralmente en la Sociedad de Física Matemática de Tokio en 1903 y 1904, y publicó "Explanation" en revistas japonesas, inglesas y alemanas en 1904 Espectro lineal y de banda. Criticó el modelo de Thomson, creyendo que las cargas positivas y negativas no podían penetrarse entre sí y propuso una estructura que llamó "modelo de Saturno", un modelo atómico en el que los electrones giran alrededor de un núcleo cargado positivamente. Una bola masiva cargada positivamente está rodeada por un anillo de electrones equiespaciados que se mueven en círculo con la misma velocidad angular. Las vibraciones radiales de los electrones emiten un espectro lineal y las vibraciones perpendiculares al toro emiten un espectro de bandas. Los electrones del anillo salen volando como rayos beta, y las partículas cargadas positivamente en la esfera central salen volando como rayos alfa.
Este modelo de Saturno tuvo una gran influencia en su posterior modelo de nucleación atómica. En 1905, analizó resultados experimentales como la medición de la relación carga-masa de partículas alfa y descubrió que las partículas alfa eran iones de helio.
En 1908, el científico suizo Leeds propuso el modelo del átomo magnético.
Su modelo puede explicar algunos hechos experimentales en ese momento hasta cierto punto, pero no puede explicar muchos resultados experimentales nuevos, por lo que no se desarrolló más. Unos años más tarde, el "modelo de pastel de pasas" de Thomson fue anulado por su alumno Rutherford.
Modelo de Bohr
La teoría de Rutherford atrajo a un joven de Dinamarca, su nombre era Niels Bohr (1885-1962) (izquierda). Basándose en el modelo de Rutherford, propuso la órbita cuantificada de los electrones fuera del núcleo atómico, resolvió el problema de la estabilidad de la estructura atómica y describió una teoría completa y convincente de la estructura atómica.
Bohr nació en una familia de profesores en Copenhague y se doctoró en la Universidad de Copenhague en 1911. Estudió en el laboratorio de Rutherford de marzo a julio de 1912, tiempo durante el cual nació su teoría atómica. Bohr primero extendió la hipótesis cuántica de Planck a la energía dentro de los átomos para resolver las dificultades en la estabilidad del modelo atómico de Rutherford. Se supone que los átomos solo pueden cambiar de energía a través de fotones de energía discreta, es decir, los átomos solo pueden estar en estados estables discretos, y el estado estable más bajo es el estado normal del átomo. Luego, inspirado por su amigo Hansen, derivó el concepto de transición en estado estacionario a partir de la ley de combinación de líneas espectrales. Publicó tres partes de su extenso artículo "Sobre la estructura atómica y molecular" en julio y septiembre de 1913 y 11.
La teoría atómica de Bohr da la siguiente imagen del átomo: los electrones se mueven alrededor del núcleo en una órbita posible específica, cuanto más lejos del núcleo, mayor es la energía de la órbita posible; del electrón. Debe estar determinado por un múltiplo entero de h/2π; cuando el electrón se mueve en estas posibles órbitas, el átomo no emite ni absorbe energía. Sólo cuando el electrón salta de una órbita a otra, la radiación emitida o. absorbido es de frecuencia única. La relación entre la frecuencia y la energía de la radiación viene dada por e = h ν. La teoría de Bohr explicó con éxito la estabilidad de los átomos y la regularidad de las líneas espectrales de los átomos de hidrógeno.
La teoría de Bohr amplió enormemente la influencia de la teoría cuántica y aceleró su desarrollo. En 1915, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) amplió la teoría atómica de Bohr para incluir órbitas elípticas y tuvo en cuenta los efectos relativistas especiales de la masa del electrón que cambia con su velocidad. La fina estructura de los espectros derivados es consistente con los experimentos.
En 1919, Albert Einstein (1879-1955) analizó estadísticamente el proceso de absorción y emisión de radiación del material basándose en la teoría atómica de Bohr y derivó la ley de radiación de Planck (a la izquierda está la ley de radiación de Bohr Er y). Einstein). El trabajo de Einstein sintetizó los resultados de la primera etapa de la teoría cuántica, integrando en un todo el trabajo de Planck, Einstein y Bohr.