If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Kurz: Chemie > Kapitola 3

Lekce 1: History of atomic structure
Přírodní vědy
Chemie
Uspořádání atomu
History of atomic structure
© 2024 Khan AcademyPodmínky poskytování služebZásady ochrany osobních údajůZásady používání souborů cookie

Objev elektronů a jádra

Učebna Google
Thompsonův experiment s katodovým zářením a Rutherfordův se zlatou fólií.

Co je potřeba si zapamatovat

  • Pokusy J. J. Thomsona s katodovou trubicí dokázaly, že všechny atomy obsahují malé záporně nabité subatomární částice neboli elektrony.
  • V Thomsonově pudinkovém modelu atomu jsou záporně nabité elektrony umístěné v kladně nabité "polévce".
  • Rutherfordův pokus se zlatou fólií dokázal, že atom je převážně tvořen volným prostorem s malým, hutným, kladně nabitým jádrem.
  • Na základě těchto výsledků navrhnul Rutherford planetární model atomu.

Úvod: V návaznosti na Daltonovu atomovou teorii

V předchozím článku o Daltonově atomové teorii jsme diskutovali o těchto postulátech:
  • Veškerá hmota je tvořena dále nedělitelnými částicemi nazývanými atomy, které se nedají vytvořit ani zničit.
  • Atomy stejného prvku mají stejnou hmotnost a fyzikální vlastnosti.
  • Sloučeniny jsou kombinací atomů 2 a více prvků.
  • Při všech chemických reakcích dochází k přeuspořádání atomů.
Daltonovy myšlenky položily základ moderní atomové teorii. Nicméně jeden z jejích základních předpokladů se později ukázal jako nesprávný. Dalton považoval atomy za nejmenší jednotky hmoty−malé, tvrdé kuličky, které už dále nejde dělit. Tento předpoklad přetrvával až do doby pokusů ve fyzice, které prokázaly, že atom je složený z ještě menších částic. V tomto článku se budeme zabývat klíčovými experimenty, které vedly k objevu elektronu a jádra.

J. J. Thomson a objev elektronu

Na konci 19.století, začal fyzik J. J. Thomson experimentovat s katodovými trubicemi. Katodové trubice jsou zatavené skleněné trubice, ze kterých byl vyčerpán téměř všechen vzduch. Na jednom konci trubky je na dvě elektrody přivedeno vysoké napětí, které způsobuje vznik paprsku částic, který míří od katody (záporně nabitá elektroda) k anodě (kladně nabitá elektroda). Trubice se nazývají katodovými "paprskovými" trubicemi ("cathode ray tubes"), protože paprsek částic neboli katodový paprsek vzniká na katodě. Paprsek může být detekován, pokud materiál, který je znám jako fosfor (nutno podotknout, že se zde nejedná o prvek, ale o luminoforní materiál), natřeme na druhý konec trubice za anodou. Po dopadu katodového paprsku fosfor jiskří nebo vyzařuje světlo.
Schéma katodové trubice.
Diagram J.J. Thomsonovy katodové trubice. Paprsek vzniká na katodě a prochází štěrbinou na katodě. Katodový paprsek je odkloněn od záporně nabité elektrické desky ke kladně nabité elektrické desce. Díky velikosti vychýlení mohl Thompson určit poměr hmotnosti k náboji částic. Obrázek z Openstax, CC BY 4.0.
Pro otestování vlastností částic umístil Thompson kolem katodového paprsku dvě elektrické desky s opačnými náboji. Katodový paprsek byl odkloněn od záporně nabité desky směrem ke kladně nabité desce. To ukázalo, že katodový paprsek je tvořen záporně nabitými částicemi.
Thomson také na obě strany trubice umístil magnet a pozoroval, že magnetické pole také odkloní katodový paprsek. Výsledky těchto experimentů Thomsonovi pomohly určit poměr hmotnosti k náboji částic katodového paprsku, což vedlo k úžasnému zjištění −hmotnost každé částice je výrazně nižší než hmotnost jakéhokoliv známého atomu. Thomson experiment opakoval s tím, že měnil materiál elektrod, a zjistil, že vlastnosti katodového paprsku se nemění v závislosti na materiálu katody. Na základě tohoto důkazu Thomson udělal následující závěry:
  • Katodový paprsek je tvořen záporně nabitými částicemi.
  • Částice musí existovat jako součást atomu, hmotnost jedné částice je pouze ∼12000 hmotnosti atomu vodíku.
  • Tyto subatomární částice se dají nalézt v atomech všech prvků.
Thomsonova zjištění byla nejprve kontroverzní, ale postupně začala být vědci přijímána. Nakonec dostaly částice tvořící katodový paprsek dobře známé pojmenování : elektrony. Objev elektronů vyvrátil část Daltonovy atomové teorie, která předpokládala, že atomy jsou dále nedělitelné. Byl tak potřeba úplně nový model, který by zohlednil i existenci elektronů.
Kontrola porozumění: Na základě čeho udělal Thomson závěr, že elektrony se nacházejí ve všech prvcích?

Pudinkový model

Thomson věděl, že celkový náboj atomu je neutrální. Z toho si odvodil, že v atomu musí být také zdroj kladných nábojů, který vyvažuje záporný náboj elektronů. Toto vedlo Thomsona k návrhu, že atom by mohl dát popsat jako záporně nabité částice, které se vznáší v polévce rozptýlených kladných nábojů. Tento model je často nazýván pudinkový model atomu kvůli tomu, že se popisem blíží vánočnímu pudinku, což je oblíbený anglický zákusek (viz obrázek níže).
Pudinkový model atomu je vpravo a obrázek vánočního pudinku vlevo.
Pudinkový model zobrazuje elektrony jako záporně nabité částice v moři kladných nábojů. Struktura Thomsonova modelu atomu je analogická vánočnímu pudinku, oblíbenému anglickému dezertu (vlevo). Obrázek z Openstax, CC BY 4.0.
Vzhledem k tomu, co dnes již víme o skutečné struktuře atomu, tak se tento model může zdát být trochu přitažený za vlasy. Naštěstí vědci dále zkoumali strukturu atomu včetně ověřování opodstatněnosti Thomsonova pudinkového modelu.
Kontrola porozumění: Thomson navrhoval model atomu, kde se odlišné záporné náboje vznáší v "moři" kladných nábojů. Přišli byste na jiný model atomu, který by také vysvětloval Thomsonovy experimentální výsledky?

Ernest Rutherford a experiment se zlatou fólií

Další průkopnický experiment v historii atomu provedl Ernest Rutherford, fyzik z Nového Zélandu, který strávil většinu své kariéry v Anglii a Kanadě. Ve svém proslulém experimentu se zlatou fólií Rutherford vystřelil tenký paprsek α částic (čte se alfa částice) na velmi tenký plátek čistého zlata. Alfa částice jsou heliová jádra(24He2+) a jsou vyzařovány během různých procesů radioaktivního rozpadu. V tomto případě umístil Rutherford malý vzorek radia (radioaktivního materiálu) do olověné krabičky, ve které byla malá dírka. Většina radiace byla pohlcena olovem, ale dírkou unikal tenký paprsek α částic ve směru zlaté fólie. Zlatá fólie byla obklopena stínítkem s luminoforem, který blikl, když na něj dopadla α částice.
Přístroj použitý v Rutherfordově experimentu se zlatou fólií.
V Rutherfordově experimentu se zlatou fólií byl paprsek α částic nasměrován na tenký plátek zlata. Většina α částic prošla skrz zlatou fólii přímo, ale malá část byla lehce odkloněna a ještě menší část byla odkloněna o více než 90∘ ze své dráhy . Obrázek z Openstax, CC BY 4.0.
Rutherford na základě Thomsonova pudinkového modelu předpovídal, že většina α částic projde skrz zlatou fólii přímo. Je to z toho důvodu, že pudinkový model předpokládal, že kladně nabité částice jsou rozprostřeny ve všech částech atomu. Potom by elektrické pole "polévky" kladně nabitých částic bylo příliš slabé, aby významně ovlivnilo dráhu relativně masivních a rychle se pohybujících α částic.
Výsledky experimentu však byly pozoruhodné. Zatímco většina α prošla přímo skrz zlatou fólii, tak několik α částic (asi 1 z 20 000) se vychýlila ze své dráhy o více než 90∘! Sám Rutherford popsal výsledky následující analogií: "Byla to nejúžasnější věc v mém životě. Bylo to skoro stejně neuvěřitelné jako kdybyste vystřelili velký granát na hedvábný papír a on se vrátil a zasáhl vás."
Očekávané výsledky Rutherfordova experimentu se zlatou fólií (vlevo) a skutečné výsledky jeho experimentu (vpravo).
Na základě pudinkového modelu se předpokládalo, že uvnitř atomů zlata není nic dostatečně hustého nebo těžkého, aby to bylo schopno vychýlit α částice z jejich drah (viz obrázek vlevo). Ale to, co Rutherford ve skutečnosti pozoroval, neodpovídalo jeho předpovědím (viz obrázek vlevo)−byl tedy potřeba nový model atomu!

Planetární model atomu

Na základě svých experimentálních výsledků udělal Rutherford následující závěry o struktuře atomu:
  • Kladný náboj se musí nacházet ve velmi malé části z celkového objemu atomu, která také obsahuje většinu hmoty atomu. To vysvětluje, proč pouze velmi malá část α částic se ze své dráhy vychýlila velmi výrazně. K vychýlení došlo nejspíš kvůli velmi málo časté kolizi s jádrem atomu zlata.
  • Jelikož ale většina α částic prošla skrz zlatou fólii přímo bez vychýlení, tak atom musí být tvořen hlavně prázdným prostorem!
Obrázek s červenými elektrony obíhajícími malou černou kuličku, která představuje jádro.
Planetární model atomu. Obrázek Rutherford modelu atomu z Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.
Toto vedlo Rutherforda k návrhu planetárního modelu, ve kterém se atomy skládají z velmi malých, kladně nabitých jader, která jsou obklopena záporně nabitými elektrony. Na základě počtu α částic, které byly v experimentu výrazně odkloněny ze své dráhy, Rutherford spočítal, že jádro zabírá jen velmi malou část objemu atomu.
Planetární model vysvětlil výsledky Rutherfordova experimentu, ale zároveň vyvolal další otázky. Například, co v atomu dělaly elektrony? Jak to, že se elektrony nezhroutí do jádra, když se opačné náboje přitahují? Naštěstí byla věda na tuto výzvu připravena! Fyzikové jako například Niels Bohr pokračovali v navrhování experimentů, aby otestovali planetární model atomu, což nakonec vedlo k vytvoření moderního kvantově-mechanického modelu.

Shrnutí

  • J. J. Thomsonův experiment dokázal, že všechny atomy obsahují malé záporně nabité subatomární částice neboli elektrony.
  • Thomson navrhnul pudinkový model atomu, který má záporně nabité elektrony umístěné v kladně nabité "polévce."
  • Rutherfordův pokus se zlatou fólií dokázal, že atom je tvořen hlavně prázdným prostorem s malým, hustým, kladně nabitým jádrem
  • Na základě těchto výsledků Rutherford navrhnul planetární model atomu.

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení
Zatím žádné příspěvky.
Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.