תגליות בתחום המבנה האטומי הפכו לצעד חשוב בהתפתחות הפיזיקה. המודל של רתרפורד היה בעל חשיבות רבה. האטום כמערכת והחלקיקים המרכיבים אותו נחקרו בצורה מדויקת ומפורטת יותר. זה הוביל לפיתוח מוצלח של מדע כמו פיזיקה גרעינית.
רעיונות עתיקים על מבנה החומר
ההנחה שהגופים שמסביב מורכבים מהחלקיקים הקטנים ביותר נעשתה בימי קדם. ההוגים של אז ייצגו את האטום כחלקיק הקטן והבלתי ניתן לחלוקה מכל חומר. הם טענו שאין דבר ביקום קטן יותר מאטום. דעות כאלה החזיקו בידי המדענים והפילוסופים היוונים הקדומים הגדולים - דמוקריטוס, לוקרטיוס, אפיקורוס. ההשערות של הוגים אלה מאוחדות היום תחת השם "אטומיזם עתיק".
מופעים מימי הביניים
זמני העת העתיקה חלפו, ובימי הביניים היו גם מדענים שהניחו הנחות שונות לגבי מבנה החומרים. עם זאת, הדומיננטיות של השקפות פילוסופיות דתיות וכוחה של הכנסייה באותה תקופה של ההיסטוריה הם בשורשדיכא כל ניסיונות ושאיפות של המוח האנושי למסקנות ותגליות מדעיות חומרניות. כפי שאתה יודע, האינקוויזיציה של ימי הביניים התנהגה מאוד לא ידידותית עם נציגי העולם המדעי של אז. נותר לומר שלמוחות הבהירים דאז היה רעיון שהגיע מהעת העתיקה על אי-חלוקה של האטום.
מחקרים מהמאה ה-18-19
המאה ה-18 התאפיינה בתגליות רציניות בתחום המבנה היסודי של החומר. בעיקר הודות למאמצים של מדענים כמו אנטואן לבואזיה, מיכאיל לומונוסוב וג'ון דלטון. ללא תלות זה בזה, הם הצליחו להוכיח שאטומים באמת קיימים. אבל שאלת המבנה הפנימי שלהם נותרה פתוחה. סוף המאה ה-18 היה בסימן אירוע כה משמעותי בעולם המדעי כמו גילוי המערכת התקופתית של יסודות כימיים על ידי D. I. Mendeleev. זו הייתה פריצת דרך עוצמתית באמת של אותה תקופה והרימה את המסך מעל ההבנה שלכל האטומים יש טבע יחיד, שהם קשורים זה לזה. מאוחר יותר, במאה ה-19, צעד חשוב נוסף לקראת פירוק מבנה האטום היה ההוכחה שכל אחד מהם מכיל אלקטרון. עבודתם של המדענים בתקופה זו הכינה קרקע פורייה לתגליות המאה ה-20.
הניסויים של תומסון
הפיזיקאי האנגלי ג'ון תומסון הוכיח ב-1897 שאטומים מכילים אלקטרונים בעלי מטען שלילי. בשלב זה הושמדו לבסוף הרעיונות הכוזבים לפיהם האטום הוא גבול ההתחלקות של כל חומר. אֵיךתומסון הצליח להוכיח את קיומם של אלקטרונים? בניסויים שלו, המדען הציב אלקטרודות בגזים נדירים מאוד והעביר זרם חשמלי. התוצאה הייתה קרני קתודה. תומסון חקר בקפידה את תכונותיהם ומצא שהם זרם של חלקיקים טעונים שנעים במהירות רבה. המדען הצליח לחשב את המסה של החלקיקים הללו ואת המטען שלהם. הוא גם גילה שלא ניתן להמיר אותם לחלקיקים ניטרליים, שכן המטען החשמלי הוא הבסיס לטבעם. כך התגלו אלקטרונים. תומסון הוא גם היוצר של המודל הראשון בעולם למבנה האטום. לפי זה, אטום הוא חבורה של חומר טעון חיובי, שבו אלקטרונים בעלי מטען שלילי מפוזרים באופן שווה. מבנה זה מסביר את הנייטרליות הכללית של אטומים, שכן מטענים מנוגדים מאזנים זה את זה. הניסויים של ג'ון תומסון הפכו יקרי ערך עבור המשך המחקר של מבנה האטום. עם זאת, שאלות רבות נותרו ללא מענה.
Rutherford Research
תומסון גילה את קיומם של אלקטרונים, אך הוא לא הצליח למצוא חלקיקים בעלי מטען חיובי באטום. ארנסט רתרפורד תיקן את אי ההבנה הזו ב-1911. במהלך ניסויים, שחקר את הפעילות של חלקיקי אלפא בגזים, הוא גילה שיש חלקיקים בעלי מטען חיובי באטום. רתרפורד ראה שכאשר קרניים עוברות דרך גז או דרך לוח מתכת דק, מספר קטן של חלקיקים סוטה בחדות ממסלול התנועה. הם ממש הושלכו לאחור. המדען ניחש את זההתנהגות זו מוסברת על ידי התנגשות עם חלקיקים בעלי מטען חיובי. ניסויים כאלה אפשרו לפיזיקאי ליצור את המודל של רתרפורד למבנה האטום.
מודל פלנטרי
עכשיו הרעיונות של המדען היו שונים במקצת מההנחות שהניח ג'ון תומסון. גם דגמי האטומים שלהם הפכו שונים. הניסיון של רתרפורד אפשר לו ליצור תיאוריה חדשה לחלוטין בתחום זה. לתגליותיו של המדען הייתה חשיבות מכרעת להמשך התפתחות הפיזיקה. המודל של רתרפורד מתאר אטום כגרעין הממוקם במרכז, ואלקטרונים נעים סביבו. לגרעין יש מטען חיובי, ולאלקטרונים יש מטען שלילי. המודל של רתרפורד לאטום הניח סיבוב של אלקטרונים סביב הגרעין לאורך מסלולים מסוימים - מסלולים. גילויו של המדען עזר להסביר את הסיבה לסטייה של חלקיקי אלפא והפך לדחף לפיתוח התיאוריה הגרעינית של האטום. במודל האטום של רתרפורד, יש אנלוגיה לתנועת כוכבי הלכת של מערכת השמש סביב השמש. זו השוואה מאוד מדויקת וחיה. לכן, המודל של רתרפורד, שבו האטום נע סביב הגרעין במסלול, נקרא פלנטרי.
עבודות מאת נילס בוהר
שנתיים לאחר מכן, הפיזיקאי הדני נילס בוהר ניסה לשלב רעיונות לגבי מבנה האטום עם התכונות הקוונטיות של שטף האור. המודל הגרעיני של רתרפורד של האטום הונח על ידי המדען כבסיס לתיאוריה החדשה שלו. לפי בוהר, אטומים מסתובבים סביב הגרעין במסלולים מעגליים. מסלול כזה של תנועה מוביל לתאוצהאלקטרונים. בנוסף, האינטראקציה הקולומבית של חלקיקים אלו עם מרכז האטום מלווה ביצירה וצריכה של אנרגיה לשמירה על השדה האלקטרומגנטי המרחבי הנובע מתנועת אלקטרונים. בתנאים כאלה, חלקיקים בעלי מטען שלילי חייבים יום אחד ליפול על הגרעין. אבל זה לא קורה, מה שמעיד על יציבות גדולה יותר של אטומים כמערכות. נילס בוהר הבין שחוקי התרמודינמיקה הקלאסית המתוארים על ידי משוואות מקסוול אינם פועלים בתנאים תוך אטומיים. לכן, המדען הציב לעצמו את המשימה לגזור דפוסים חדשים שיהיו תקפים בעולם החלקיקים היסודיים.
הנחותיו של בוהר
בעיקר בשל העובדה שהמודל של רתרפורד היה קיים, האטום ומרכיביו נחקרו היטב, נילס בוהר הצליח להתקרב ליצירת ההנחות שלו. הראשון שבהם אומר שלאטום יש מצבים נייחים, שבהם הוא אינו משנה את האנרגיה שלו, בעוד שהאלקטרונים נעים במסלולים מבלי לשנות את מסלולם. לפי ההנחה השנייה, כאשר אלקטרון עובר ממסלול אחד למשנהו, אנרגיה משתחררת או נספגת. זה שווה להבדל בין האנרגיות של המצב הקודם והאחרי של האטום. במקרה זה, אם האלקטרון קופץ למסלול קרוב יותר לגרעין, אזי נפלטת אנרגיה (פוטון), ולהיפך. למרות העובדה שתנועת האלקטרונים מזכירה מעט מסלול מסלול הממוקם אך ורק במעגל, התגלית של בוהר סיפקה הסבר מצוין לקיומו של שלטספקטרום של אטום המימן. בערך באותו זמן, הפיזיקאים הרץ ופרנק, שחיו בגרמניה, אישרו את תורתו של נילס בוהר על קיומם של מצבים נייחים ויציבים של האטום ועל האפשרות לשנות את ערכי האנרגיה האטומית.
שיתוף פעולה של שני מדענים
אגב, רתרפורד לא הצליח לקבוע את מטען הגרעין במשך זמן רב. המדענים מרסדן וגייגר ניסו לבדוק מחדש את הצהרותיו של ארנסט רתרפורד, וכתוצאה מניסויים וחישובים מפורטים וזהירים הגיעו למסקנה שהגרעין הוא המאפיין החשוב ביותר של האטום, וכל המטען שלו. מרוכז בו. מאוחר יותר הוכח שערך המטען של הגרעין שווה מספרית למספר הסידורי של היסוד במערכת היסודות המחזורית של D. I. מנדלייב. באופן מעניין, נילס בוהר פגש במהרה את ראתרפורד והסכים לחלוטין עם דעותיו. לאחר מכן, מדענים עבדו יחד במשך זמן רב באותה מעבדה. המודל של רתרפורד, האטום כמערכת המורכבת מחלקיקים טעונים יסודיים - כל זה חשב נילס בוהר להוגן ולנצח הניח בצד את המודל האלקטרוני שלו. הפעילות המדעית המשותפת של המדענים הייתה מוצלחת מאוד ונשאה פרי. כל אחד מהם התעמק בחקר תכונותיהם של חלקיקים יסודיים וגילה תגליות משמעותיות עבור המדע. רתרפורד גילה והוכיח מאוחר יותר את האפשרות של פירוק גרעיני, אבל זה נושא למאמר אחר.
