مدل اتمی رادرفورد (مدل اتمی هسته دار)

رد مدل اتمی تامسون توسط مدل اتمی رادرفورد :

ج. ج. تامسون در مدل اتمی تامسون (مدل اتمی کیک کشمشی) فرض کرده بود که ابری با بار مثبت کل فضای اتم را گرفته است که الکترون ها با بار منفی در آن پراکنده شده اند و بنابراین از نظر وی، بخش اعظم جرم اتم که مربوط به این ابر است، در کل فضای اتم پخش شده، اما ارنست رادرفورد با آزمایش های خود نشان داد که مدل اتمی تامسون غلط است و بخش اعظم جرم اتم در یک مرکز کوچک از اتم (هسته اتم) قرار دارد.

بنابراین ارنست رادرفورد هسته دار بودن اتم را بیان کرد (مدل اتمی هسته دار).

آزمایش ارنست رادرفورد :

ارنست رادرفورد قبلا انتشار ذره های آلفا از مواد پرتوزا را بررسی کرده بود و مشاهده کرده بود که ذره های پر انرژی آلفا از ورقه های فلزی نازک و سایر مواد عبور می کنند. بنابراین تصمیم گرفت که برای بررسی ساختار درون اتم، باریکه ای از ذرات آلفا را به اتم ها برخورد دهد.

وی در نظر گرفت که اگر باریکه ای از ذرات آلفا را به ورقه ای از فلز برخورد دهیم، ذره های آلفا در اتم ها نفوذ می کنند و با برخورد به ساختار درونی اتم ها، از مسیر خود منحرف می شوند. میزان این انحراف، نشانه ای از ساختار درون اتم ها خواهد بود.

طبق فرض وی، اگر مدل اتمی تامسون درست باشد، چون تامسون فرض کرده که ابر مثبت در کل فضای اتم پراکنده است، بنابراین نه این ابر مثبت پراکنده و نه الکترون ها با جرم کم خود، نمی توانند خیلی بر روی حرکت ذرات آلفای پر انرژی و پر جرم اثر بگذارند و بنابراین تنها باید انحراف های کمی در مسیر حرکت ذرات آلفا مشاهده کنیم.

ارنست رادرفورد و همکارانش از ورقه های طلا و نقره استفاده کردند و آنها را توسط باریکه ای از ذرات آلفا که توسط مواد پرتوزا منتشر می شدند، بمباران کردند. آنها از یک صفحه سولفید روی برای شناسایی ذرات آلفا (بعد از عبور از ورقه های طلا و نقره) استفاده نمودند.

اما نتیجه آزمایش باعث شگفتی ارنست رادرفورد و همکارانش شد. زیرا آنها انتظار انحراف کم ذرات آلفا را داشتند، ولی میزان انحراف برخی از ذرات آلفا به حدی زیاد بود که به جهت عکس حرکت خود برمی گشتند. بنابراین ارنست رادرفورد متوجه شد که این انحراف زیاد به دلیل برخورد ذرات آلفا با یک هسته بسیار کوچک، اما پر جرم در درون اتم می باشد.

ارنست رادرفورد بر اساس این آزمایش، مدل اتمی تامسون را رد کرد و مدل اتمی خود را پیشنهاد داد. بر اساس مدل اتمی رادرفورد، اگر فرض کنیم که اتم دارای تعداد Z الکترون می باشد که هر الکتورن دارای بار e- باشد، اتم دارای یک هسته کوچک است که دارای بار Ze+ بوده که بخش اعظم جرم اتم را تشکیل می دهد و در اطراف این هسته، تعداد Z الکترون قرار دارد. چون بار کل الکترون ها برابر Ze- است، بنابراین بار مثبت هسته با بار منفی الکترون ها خنثی می شود و اتم به طور کلی خنثی و بدون بار خواهد بود.

بنابراین مطابق مدل اتمی رادرفورد، اتم مانند منظومه خورشیدی است که هسته همچون خورشید در مرکز بوده و الکترون ها همچون سیاره ها در اطراف آن قرار دارند.

مطابق مدل اتمی رادرفورد، وقتی ذرات آلفا از نزدیکی هسته عبور می کنند، هسته دافعه الکتریکی بزرگی به ذرات آلفا وارد می کند و آنها را با زاویه ای بزرگ منحرف می کند. اگر ذرات آلفا از هسته دورتر باشند، با زاویه کمتری منحرف می شوند.

تکمیل مدل اتمی رادرفورد توسط مدل اتمی بور :

مدل اتمی رادرفورد چیدمان کلی الکترون ها را مشخص کرد، به این صورت که الکترون ها در لایه هایی در اطراف هسته اتم قرار دارند، اما در مورد نحوه حرکت الکترون ها در اتم، اطلاعاتی ارائه ننمود.

دانشمندان می خواستند بر مبنای نوع چیدمان الکترون ها و نحوه حرکت آنها در اتم، خطوط طیفی اتم ( آموزش شماره 3227 ) و خواص شیمیایی اتم را توجیه کنند.

دانشمندان اکنون قصد داشتند که بر اساس مدل اتمی رادرفورد، شیوه حرکت الکترون در اتم را محاسبه کنند، اما وقتی از قوانین ((مکانیک کلاسیک)) و ((الکترومغناطیس کلاسیک)) برای محاسبات استفاده کردند، نتایج مناسبی نمی گرفتند.

آنها بیان می کردند که مطابق قوانین فیزیک کلاسیک، الکترون در یک مدار دایره ای به شعاع تقریبی $ $${10^{ - 10}}m$$ $ در حال حرکت به دور هسته می باشد. الکترون دارای شتاب مرکزگرای زیادی خواهد بود که به دلیل آن، شروع به تابش نور می کند و با تابش نور، پیوسته انرژی از دست می دهد و همین طور به سمت هسته می رود و به سمت هسته سقوط می کند. این سقوط در یک مسیر مارپیچی به سمت هسته اتفاق می افتد. همانند وقتی که یک ماهواره به سمت زمین سقوط می کند. مطابق این محاسبات باید الکترون در زمان کوتاه $ $${10^{ - 10}}s$$ $ به هسته برخورد کند.

بنابراین محاسبات بر اساس قوانین ((مکانیک کلاسیک)) و ((الکتریسیته کلاسیک))، این نتیجه را می دهد که الکترون ها باید در یک لحظه در هسته سقوط کنند. نتیجه ای که دانشمندان آن را غیر قابل قبول می دانستند.

همچنین اگر الکترون در یک مسیر مارپیچ به سمت هسته سقوط می کند و همواره در حال انتشار نور است، نور حاصل باید همواره دامنه و فرکانس آن افزایش یابد، زیرا هر چه الکترون به هسته نزدیکتر شود، شتاب آن بیشتر می شود و فرکانس حرکت مداری آن بیشتر خواهد بود. اما این نتیجه گیری نیز غلط است زیرا دانشمندان با بررسی خطوط طیفی اتم ها ( آموزش شماره 3227 ) متوجه شده بودند که انتشار نور توسط الکترون ها، دارای فرکانس هایی گسسته است.

پس این نتایج محاسباتی غلط، دانشمندان را به این فکر انداخت که قوانین ((مکانیک کلاسیک)) و ((الکترومغناطیس کلاسیک)) برای توصیف حرکت الکترون ها در اتم مناسب نیستند و باید قوانین دیگری کشف شوند.

نیلس بور سعی کرد قوانین جدید اتمی را بیابد و نتایج خود را به این صورت بیان کرد :

1- برای الکترون در اتم، مدارهای گسسته ای وجود دارد که هر مدار معادل یک سطح انرژی می باشد و بنابراین سطوح انرژی الکترون به صورت گسسته می باشند. وی لفظ ((کوانتیده بودن)) را برای این معنا در نظر گرفت و به طور کلی گفت که ((مدارهای الکترون و انرژی های الکترون کوانتیده هستند)). یعنی الکترون فقط می تواند در این مدارها قرار داشته و دارای این سطوح انرژی باشد. وقتی الکترون در یکی از این مدارها قرار دارد، هیچ تابش الکترومغناطیسی (تابش نوری) ندارد. به این حالت الکترون، ((حالت ایستا)) می گوییم. الکترون می تواند از یک مدار به مدار دیگر (از یک حالت ایستا به حالت ایستای دیگر) یک انتقال گسسته داشته باشد که این انتقال را ((جهش کوانتومی)) می نامیم. بر اثر این انتقال، الکترون تابش الکترومغناطیسی منتشر می کند.

2- قوانین ((مکانیک کلاسیک)) بر حرکت الکترون در هر مدار (هر حالت ایستا) صدق می کنند، اما بر زمان انتقال الکترون از یک مدار به مداری دیگر (از یک حالت ایستا به حالت ایستای دیگر) صدق نمی کنند.

3- هنگام انتقال الکترون از یک مدار به مداری دیگر (از یک حالت ایستا به حالت ایستای دیگر)، انرژی اضافی الکترون به صورت یک فوتون با یک فرکانس خاص آزاد می شود.

4- مدارهای مجاز بر اساس مقدارهای کوانتیده از اندازه حرکت زاویه ای الکترون مشخص می شوند.