Modelo atómico de estructura atómica.
En 1901, el físico francés Jean-Baptiste Pirin (1870-1942) propuso un modelo estructural que sostenía que el centro de un átomo es un conjunto de partículas cargadas positivamente, y la periferia son unos electrones en órbita. El período de movimiento de los electrones corresponde a la frecuencia de las líneas espectrales emitidas por los átomos, y los electrones más externos son expulsados para emitir rayos catódicos. Modelo de pastel de pasas (modelo de pastel de azufaifa)
Joseph John Thomson (1856-1940) continuó sus estudios sistemáticos 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 Meier sobre el equilibrio de los imanes flotantes, demostró que el anillo formado por estos electrones en viaje sería estable si el número de electrones no excediera un cierto límite. Si el número de electrones supera este límite, se clasificará como dos anillos, y así sucesivamente. De esta manera, la adición de electrones conduce a similitudes estructurales periódicas y también se puede explicar la recurrencia 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 se refiere al modelo atómico de Thomson como el "modelo de pastel de pasas". No sólo explica por qué los átomos son eléctricamente neutros y cómo se distribuyen los electrones dentro de los átomos, sino que también explica el fenómeno de los rayos catódicos y el hecho de que los metales pueden emitir electrones cuando se exponen a la luz ultravioleta. Además, según este modelo, se puede estimar que el tamaño del átomo es de unos 10 a 8 cm, lo cual es sorprendente. Debido a que el modelo de Thomson podía explicar muchos hechos experimentales en ese momento, muchos físicos lo aceptaron fácilmente. Nagaoka Kantaro (1865-1950) realizó presentaciones orales en la Sociedad de Física Matemática de Tokio en 1903 y 1904, y publicó "Explanation of Linear and Banded Spectral Sums" en revistas japonesas, inglesas y alemanas en 1904. Criticó el modelo de Thomson, argumentando que las cargas positivas y negativas eran incapaces de interpenetrar entre sí, y propuso una estructura que llamó "modelo de Saturno", un modelo de un átomo con un anillo de electrones que gira 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 en forma de rayos beta, y las partículas cargadas positivamente en la esfera central salen volando en forma de rayos alfa. Este modelo de Saturno tuvo una gran influencia en su modelo posterior de nucleación atómica. En 1905, analizó resultados experimentales como las mediciones 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 podía explicar algunos hechos experimentales en ese momento hasta cierto punto, pero no podía 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. El físico británico Ernest Rutherford (1871 ~ 1937) llegó al Laboratorio Cavendish en Inglaterra para estudiar con Thomson en 1895, convirtiéndose en el primer estudiante graduado de Thomson en el extranjero. Rutherford fue diligente y estudioso. Bajo la dirección de Thomson, Rutherford descubrió los rayos alfa mientras realizaba su primer experimento, el experimento de absorción radiactiva.
Rutherford diseñó un ingenioso experimento. Colocó elementos radiactivos como uranio y radio en contenedores de plomo, dejando sólo un pequeño agujero en el contenedor de plomo. Debido a que el plomo bloquea la radiación, sólo una pequeña porción de la radiación sale del agujero y forma un haz estrecho de radiación. Rutherford colocó un imán potente cerca del haz de radiación y descubrió que un rayo no se veía afectado por el imán y seguía moviéndose en línea recta. El segundo rayo es desviado hacia un lado por el imán, pero no demasiado. El tercer rayo está muy desviado.
Rutherford colocó materiales de diferentes espesores en la dirección de la radiación y observó la absorción de la radiación. El primer tipo de radiación no se ve afectada por los campos magnéticos, lo que significa que no tiene carga y es muy penetrante. Los materiales comunes como el papel y el aserrín no pueden detener la radiación, y sólo una gruesa lámina de plomo puede bloquearla por completo, lo que se llama rayo gamma. El segundo rayo se verá afectado por el campo magnético y desviado hacia un lado. A partir de la dirección del campo magnético se puede determinar que este rayo tiene carga positiva. El poder de penetración de este rayo es muy débil y puede bloquearse completamente con un trozo de papel. Estos fueron los rayos alfa descubiertos por Rutherford. El tercer tipo de rayo tiene carga negativa dependiendo de la dirección de desviación y tiene las mismas propiedades que los electrones que se mueven rápidamente, por eso se llama rayos beta. Rutherford estaba particularmente interesado en los rayos alfa, que él mismo había descubierto. Después de una investigación profunda y detallada, señaló que los rayos alfa son corrientes de partículas cargadas positivamente, y estas partículas son iones de átomos de helio, es decir, átomos de helio que carecen de dos electrones.
El "tubo de conteo" fue inventado por el estudiante alemán Hans Geiger (1882-1945) y puede usarse para medir partículas cargadas invisibles a simple vista. Cuando las partículas cargadas pasan a través del tubo de conteo, el tubo de conteo emite una señal de telecomunicaciones. Cuando esta señal de comunicación remota se conecta a la alarma, el instrumento emitirá un sonido de "clic" y la luz indicadora se encenderá. Los rayos invisibles e invisibles se pueden registrar y medir con instrumentos muy sencillos. Este instrumento se llama contador Geiger. Con la ayuda del contador Geiger, la investigación sobre las propiedades de las partículas alfa en el laboratorio de Manchester dirigido por Rutherford se desarrolló rápidamente.
En 1910, E. Marsden (1889-1970) llegó a la Universidad de Manchester. Rutherford le pidió que bombardeara una lámina de oro con partículas alfa, que hiciera experimentos prácticos y usara una pantalla fluorescente para registrar las partículas alfa que pasaban a través de la lámina de oro. Según el modelo de la torta de pasas de Thomson, en una sustancia uniformemente cargada positivamente se distribuyen pequeños electrones, y las partículas alfa son átomos de helio que han perdido dos electrones y son miles de veces más masivos que los electrones. Cuando una capa tan pesada bombardea un átomo, los pequeños electrones no pueden resistirlo. Sin embargo, la materia positiva de los átomos de oro se distribuye uniformemente por todo el volumen atómico y no puede resistir el bombardeo de partículas alfa. Es decir, la partícula alfa pasará fácilmente a través de la lámina de oro, e incluso si está un poco bloqueada, solo cambiará ligeramente de dirección después de atravesar la lámina de oro. Rutherford y Geiger habían hecho este experimento muchas veces y sus observaciones concordaban bastante con el modelo de pastel de pasas de Thomson. Afectadas por los átomos de oro, las partículas alfa cambiaron ligeramente de dirección y su ángulo de dispersión fue extremadamente pequeño.
Marsden y Geiger repitieron este experimento que habían hecho muchas veces, ¡y ocurrió un milagro! Observaron no sólo partículas alfa dispersas, sino también partículas alfa reflejadas en la lámina de oro. Rutherford describió la escena en un discurso al final de su vida. Dijo: "Recuerdo que Geiger vino a mí dos o tres días después muy emocionado y me dijo: 'Tenemos algunas partículas alfa reflejadas...' y fue el evento más increíble de mi vida. Fue como disparar un proyectil de 15 pulgadas, pero ser golpeado por un proyectil reflejado fue igual de increíble. Después de pensarlo, me di cuenta de que esta retrodispersión solo podía ser el resultado de una única colisión. Después de hacer los cálculos, vi que sin tener en cuenta que la mayor parte de la masa atómica era. concentrado en uno solo, es imposible obtener este orden de magnitud”
El “después de pensar” decía Rutherford no era pensar durante un día o dos, sino pensar durante un año entero o. dos. Después de realizar muchos experimentos, cálculos teóricos y una cuidadosa consideración, propuso audazmente el modelo del átomo nuclear, anulando el modelo del átomo de bola sólida cargada de su maestro Thomson.
Rutherford comprobó que las partículas alfa reflejadas en los experimentos de sus alumnos eran efectivamente partículas alfa y luego midió cuidadosamente el número total de partículas alfa reflejadas. Las mediciones mostraron que, en sus condiciones experimentales, una partícula alfa de cada 8.000 partículas alfa incidentes se reflejaba. El modelo atómico de esfera sólida cargada de Thomson y la teoría de la dispersión de partículas cargadas sólo pueden explicar la dispersión de ángulo pequeño de las partículas α, pero no la dispersión de ángulo grande. La dispersión múltiple puede obtener una dispersión de gran ángulo, pero los resultados de los cálculos muestran que la probabilidad de dispersión múltiple es extremadamente pequeña, lo que está demasiado lejos de la observación mencionada anteriormente de que una de las 8.000 partículas alfa se refleja.
El modelo atómico de Thomson no puede explicar la dispersión de las partículas alfa.
Después de cuidadosos cálculos y comparaciones, Rutherford descubrió que sólo cuando la carga positiva se concentra en un área pequeña y las partículas alfa pasan a través de un solo átomo, puede ocurrir una dispersión de gran ángulo. En otras palabras, la carga positiva de un átomo debe concentrarse en un pequeño núcleo en el centro del átomo. Sobre la base de esta suposición, Rutherford calculó además algunas leyes de la dispersión alfa e hizo algunas inferencias. Estas inferencias pronto fueron confirmadas por una serie de hermosos experimentos realizados por Geiger y Marsden.
El modelo atómico de Rutherford es como un sistema solar, con núcleos cargados positivamente como el sol y electrones cargados negativamente como los planetas que orbitan alrededor del sol. En este "sistema solar" la fuerza entre ellos es la interacción electromagnética. Explicó que el material cargado positivamente en un átomo se concentra en un núcleo pequeño, y la mayor parte de la masa atómica también se concentra en este núcleo pequeño. Cuando las partículas alfa se disparan directamente al núcleo, pueden rebotar. Esto explica satisfactoriamente la dispersión de gran ángulo de las partículas alfa. Rutherford publicó el famoso artículo "Dispersión de partículas α y β por la materia y su principio y estructura".
La teoría de Rutherford abrió una nueva forma de estudiar la estructura atómica e hizo una contribución inmortal al desarrollo de la ciencia atómica. Sin embargo, durante mucho tiempo la teoría de Rutherford recibió una fría acogida por parte de los físicos. La debilidad fatal del modelo atómico de Rutherford es que la fuerza del campo eléctrico entre cargas positivas y negativas no puede cumplir con los requisitos de estabilidad, es decir, no puede explicar cómo los electrones pueden permanecer estables fuera del núcleo. El modelo de Saturno propuesto por Kantaro en 1904 fracasó porque no pudo superar las dificultades de estabilidad. Por lo tanto, cuando Rutherford propuso nuevamente el modelo del átomo nuclear, muchos científicos lo consideraron como una conjetura o uno de varios modelos, ignorando la sólida base experimental del modelo propuesto por Rutherford.
Rutherford tenía ideas extraordinarias, por lo que a menudo era capaz de captar la esencia y hacer predicciones científicas. Al mismo tiempo, tiene una actitud científica muy estricta y debe sacar conclusiones de hechos experimentales. Rutherford cree que su modelo está lejos de ser perfecto y requiere más investigación y desarrollo. Al comienzo de su artículo, declaró: "En esta etapa no es necesario considerar la estabilidad del átomo propuesto, ya que obviamente dependerá de la estructura fina del átomo y del movimiento de los componentes cargados". En una carta a un amigo de ese año, también decía: "Espero que en uno o dos años pueda ofrecer algunas ideas más claras sobre la estructura atómica". La teoría de Rutherford atrajo a un joven de Dinamarca, su nombre era Niels Henry Niels Henrik David Bohr. (1885-1962). 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 de la estructura atómica completa y convincente.
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. En ese momento se suponía que los átomos solo podían cambiar su energía a través de fotones de energía discreta, es decir, los átomos solo podían estar en estados estables discretos, y el estado estable más bajo era el estado normal del átomo. Luego, inspirado por su amigo Hansen, derivó el concepto de transiciones de estado estacionario a partir de las leyes de combinación de líneas espectrales. Publicó tres partes de un extenso artículo "Sobre la estructura atómica y molecular" en julio y septiembre de 1913.
La teoría atómica de Bohr ofrece esta imagen atómica: los electrones se mueven alrededor del núcleo en algunas órbitas posibles específicas. Cuanto más lejos del núcleo, mayor es la energía de las órbitas posibles, determinadas por los siguientes hechos: Los electrones; El momento angular de debe ser un múltiplo entero de h/2π; cuando el electrón se mueve en estas posibles órbitas, el átomo no emite ni absorbe energía, sino sólo cuando el electrón salta de una órbita a otra, y la radiación emitida o. absorbida es de frecuencia única. La relación entre la frecuencia y la energía de la radiación viene dada por E=hν. 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 el desarrollo de la teoría cuántica.
En 1915, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) amplió la teoría atómica de Bohr a 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 de los materiales basándose en la teoría atómica de Bohr y derivó la ley de radiación de Planck. El trabajo de Einstein sintetizó los resultados de la primera fase de la teoría cuántica, integrando el trabajo de Planck, Einstein y Bohr. Entre los alumnos de Rutherford se encontraban más de una docena de premios Nobel, como Bohr, Chadwick, Cockcroft, Kapitsa, Hahn, etc. Tras descubrir el núcleo atómico, Rutherford bombardeó el núcleo de nitrógeno con rayos alfa en 1919, logrando la primera "alquimia" y reacción nuclear de la historia de la humanidad. De ahora en adelante, los elementos no son cosas eternas. Rutherford descubrió que los protones, los iones de hidrógeno, son los componentes básicos de todos los núcleos atómicos a través de una serie de reacciones nucleares y predijo los neutrones. Más tarde, su alumno Chadwick descubrió los neutrones y finalmente estableció un núcleo basado en protones y neutrones. Una vez establecido el principio de exclusión de Pauli, también se explicó la ley periódica de los elementos. Más tarde, Rutherford sería conocido como el padre de la física nuclear. Por supuesto, cuando Gran Bretaña estaba en auge, no olvidemos a los Curie en Francia, porque las capas atómicas necesarias para la serie de descubrimientos de Rutherford eran partículas alfa liberadas por elementos radiactivos, especialmente el radio. En ese momento, los franceses establecieron el Laboratorio Curie y Curie murió en un accidente automovilístico. Mary ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre la radiactividad. El famoso libro "Teoría general de la radiactividad" se ha transmitido de generación en generación. Después del laboratorio Curie, fue presentado por la joven pareja Curie: Iorio Curie e Irene Curie. Tenían el mismo talento y no menos talento que los tres lugares santos. Los pequeños Curie tuvieron un poco de mala suerte. Descubrieron que Chadwick arrebató los neutrones, Anderson arrebató los positrones y Hahn arrebató la fisión nuclear. Las oportunidades son fugaces. Pero al final ganó el Premio Nobel por descubrir la radiactividad artificial. Hoy en día existen miles de isótopos radiactivos, la mayoría de los cuales se producen artificialmente, gracias a los cada vez más jóvenes Curie.
El modelo nuclear tuvo éxito en los experimentos, pero entró seriamente en conflicto con la teoría básica de la época. Según la electrodinámica clásica, debido al movimiento circular de los electrones, se irradiarán ondas electromagnéticas y, debido a la pérdida de energía, caerán en el núcleo en 1 ns y al mismo tiempo emitirán un espectro continuo. En otras palabras, teóricamente no existe el átomo. Pero los átomos existen y son estables, y emiten un espectro lineal, que está respaldado por una serie de hechos experimentales y por la química en su conjunto. En 1911, un joven danés de 26 años llegó a Cambridge y luego fue trasladado al Laboratorio Rutherford en Manchester, donde se enteró del sorprendente descubrimiento del núcleo atómico. Finalmente, descubrió un método de corrección básico para modelos nucleados que no sólo tenía en cuenta la estabilidad de los átomos sino que también les permitía calcular sus radios. Era Niels Bohr, tan famoso como Einstein.
En 1885, el profesor de matemáticas suizo Balmer descubrió una fórmula empírica para el espectro visible de los átomos de hidrógeno. Más tarde, el físico sueco Rydberg la generalizó en la fórmula de Rydberg. En 1900, el físico alemán Max Planck propuso el concepto de cuantificación de energía y explicó el espectro de radiación del cuerpo negro. En 1905, Einstein propuso el concepto de cuantos de luz. Estas conclusiones dieron a Bohr una gran inspiración. Inspirándose en estos, Bohr aplicó el concepto de cuantificación al modelo atómico en 1913 y propuso el modelo del átomo de hidrógeno de Bohr. La clave de este modelo son tres supuestos hechos por Bohr. Supuesto de estado estacionario: los electrones sólo pueden moverse en algunas órbitas discretas y no irradiarán ondas electromagnéticas. La condición de frecuencia supone que la diferencia de niveles de energía es la misma que la energía del fotón absorbida (o emitida) por el átomo. La cuantificación del momento angular supone que el momento angular de un electrón es un múltiplo entero de la constante de Planck. A través de una serie de deducciones, el misterio del espectro del hidrógeno surgió gradualmente y logró un gran éxito. Bohr ganó el Premio Nobel en 1922. Aunque el modelo de Bohr parece tosco ahora, su importancia no reside en el modelo en sí, sino en los conceptos introducidos al construirlo: estado estacionario, niveles de energía, transiciones, etc. Bohr introdujo el principio de correspondencia para conciliar el conflicto entre el modelo atómico del hidrógeno y la mecánica clásica.
Se descubrió que esta partícula tenía la misma masa que un protón y no tenía carga eléctrica. Llamó a esta partícula neutrón. Así descubrió el neutrón. Resolvió los problemas encontrados por los físicos teóricos en la investigación atómica y logró un gran avance en la investigación de la física atómica. Más tarde, el físico italiano Fermi utilizó neutrones como "bolas de cañón" para bombardear núcleos de uranio y descubrió la fisión nuclear y la reacción en cadena de la fisión, iniciando una nueva era en la utilización humana de la energía atómica. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física en 1935 por su destacada contribución al descubrimiento del neutrón.