Atoma uzbūve

Jau 5. – 4. gadsimta pirms mūsu ēras Senaja Grieķija filozofi pauda viedokli par matērijas pastavēšanu, par tas uzbūvi. Daži pauda, ka ta ir vienota, nedalama, bet citi uzskatīja, ka ta sastav no sīkam daļiņam – atomiem (tulkojuma no grieķu valodas – nedalams). Šie uzskati radas tad, kad filozofi meklēja Visuma rašanas izskaidrojumu. Tieši Dēmokrita uzskats par matērijas uzbūvi no atomiem lika pamatu materialismam, kas savukart sekmēja šī uzskata talaku izpēti.

No ta laika pagaja daudzi gadsimti, kamēr cilvēki saka interesēties par atoma pastavēšanu un saka ta izpēti. Var piebilst, ka iemesls šai kavēšanai nebija parastais cilvēka slinkums, bet gan daudzie kari, slimības un arī pastavoša vara. Kad šie šķēršļi tika kaut daļēji parvarēti, naca gaisma arī zinatniska rakstura darbi, publikacijas par matēriju, atomu, elementu, vielu u.t.t.

Šo izpēti turpinaja slaveni zinatnieki ka Mihails Lomonosovs (19.01.1711. – 15.04.1765. g.), franči A. L. Lavuazjē (26.08.1743. – 08.05.1794. g.) un Z. Prusts, angļu ķīmiķis Dž. Daltons (1766. – 1844.), itaļu fiziķis A. Avogadro un, protams, bija arī daudzi citi mazak populari cilvēki, kas palīdzēja uzskata veidošana par atomu, kadu mēs pazīstam mūsdienas.

Periodiskais likums, ko formulēja Dmitrijs Mendeļejevs, rada likumsakarību starp visiem elementiem. Tas rada, ka pamata visiem atomiem ir kaut kas kopīgs. Līdz 19. Gadsimta beigam ķīmija valdīja uzskats, ka atoms ir molekulas sīkaka daļiņa, kas nav talak dalama. Pastavēja uzskats, ka visas ķīmiskajas reakcijas sadalas un rodas tikai molekulas, bet atomi paliek neizmainījušies. 19. Gadsimta beigas tika izdarīti atklajumi, kas paradīja par iepriekš minēta uzskata nepareizīgumu. Tika pieradīta atoma sarežģītas uzbūves esamība un ta parvēršanas no viena veida cita.

Šie atklajumi arī bija ierosinajums atoma uzbūves pētīšanai.

Pirmo ievērojamo soli spēra Džons Daltons (viņš tiek uzskatīts par ķīmiskas atomistikas radītaju). Viņš pētīja gazes, un tieši to pētījumu rezultata Dž. Daltons nonaca pie secinajumiem:

J     Visi viena elementa atomi ir gluži vienadi.

J     Dažadu elementu atomi var savienoties cits ar citu dažadas attiecības.

J     Katra elementa atomam ir raksturīga sava noteikta atommasa.

Pats lielakais Dž. Daltona nopelns ir atommasas jēdziena radīšana. Patiesas atomu masas, protams taja laika nevarēja iegūt, tada veida šis zinatnieks ieviesa arī relatīvas atommasas aprēķinašanu – viņš patvaļīgi izvēlējas kada atoma masu par vienību un izrēķinaja parējo attiecību pret to.

Līdz Dž. Daltonam pastavēja uzskats, ka atoms pēc savas uzbūves ir blīva, nedalama daļiņa, bet līdz ar elektrona atklašanu naca klaja jaunas teorijas.

Eksperimentali elektrona esamību 1897. gada pieradīja angļu fiziķis Džozefs Džons Tomsons (1856. – 1940.). Viņš veica eksperimentus ar katodstariem gazizlades caurulītē, kura tika panakts zems spiediens un ar elektrodiem pievadīts augsts spriegums (1500V). Tados apstakļos caurulītē viņš ieguva “neredzamus” katodstarus, kas radīja spilgti zaļus uzplaiksnījumus tajas vietas, kur tie sastapas ar caurulītes iekšējo virsmu. Šie novērojumi ļava zinatniekiem izdarīt secinajumu, ka šie stari ir negatīvi ladētu daļiņu plūsma. Atkartojot šadu eksperimentu ar vairakam gazēm, Tomsons ieguva vienadus rezultatus, tada veida pieradīdams, ka visu elementu atomi satur negatīvas daļiņas – elektronus.

No ta viņš secinaja, ka atoms ir pozitīvi ladēta sistēma, kura ir “iespiedušies” negatīvi ladētie elektroni, tada veida izveidodams savu atoma modeli.

Praktiski atoma uzbūves pētīšana sakas 1897. – 1898. gada , kad bija līdz galam izpētīti katodstari. Fakts, ka elektroni izdalījas no vairakam vielam, veda pie secinajuma, ka elementi ietilpst visu elementu sastava. Bija arī zinams, ka atoms ir elektroneitrals, no ka zinatnieki secinaja, ka ta uzbūvē ir jabūt kadai daļai, kas ir neatklata, un, kas neitralizēja elektronu negatīvo ladiņu. Šo pozitīvi ladēto daļu atklaja Ernests Rezerfords, pētīdams alfa daļiņu plūsmu gazēs un citas vielas.

(Alfa daļiņas, kuras izdalas no aktīvajiem elementiem, ir pozitīvi ladēti hēlija (He) joni, kuru sasniedz atrumu līdz pat 20000 km/s (salīdzinajumam: ja mašīna brauc ar 100 km/h, tad tas ir 27,8 m/s= 0,0278 km/s). Pateicoties tik lielam atrumam, alfa daļiņas, lidojot cauri gaisam un ietriecoties taja esošajos atomos, izsit no tiem elektronus. Atomi, kas zaudējuši elektronus, kļūst par pozitīvi ladētiem joniem, bet izsistie elektroni uzreiz piesaistas pie citiem atomiem, pataisot tos par negatīviem joniem. Angļu fiziķis Č. Vilsons šo alfa daļiņu spēju jonizēt izmantoja, lai padarītu redzamus tos ceļus, kurus veic atsevišķas daļiņas, un , lai nofotografētu tos. Vēlak ierīci, ko izgudroja šis zinatnieks, alfa daļiņu izsekošanai nosauca viņa varda – Vilsona kamera.)

Pētot daļiņu plūsmas ar kameras palīdzību, Rezerfords pamanīja, ka kamera alfa daļiņu ceļi ir paralēli, bet, izlaižot tos caur kadas gazes slani vai planu metala plaksnīti, daļiņu ceļi novirzas no iepriekšēja stavokļa. Dažas daļiņas mainīja virzienu ļoti izteikti saņus, citas nemainīja nemaz, bet bija arī tadas, kas atlēca atpakaļ. Pamatojoties uz šiem vērojumiem, Rezerfords izteica savu hipotēzi, ka būvēts atoms: atoma centra atrodas pozitīvi ladēts kodols, ap kuru pa dažadam orbītam riņķo negatīvi ladēti elektroni. Šo savu modeli

zinatnieks nosauca par planetaro modeli, jo viņš uzskatīja, ka elektroni kustas tapat, ka planētas kustas ap Sauli.

Šis atoma modelis skaidro alfa daļiņu novirzi no paralēla ceļa. Kodola un elektrona lielumi ir ļoti mazi salīdzinajuma ar pašu atomu, tapēc lielaka daļa alfa daļiņu palido tiem garam ar minimalu virziena maiņu. Tikai tajos gadījumos, kad daļiņas nonak ļoti maza attaluma no atoma kodola, iedarbojas atgrūšanas spēki, kas arī izsauc alfa daļiņu strauju kustības virziena maiņu. Tada veida, alfa daļiņu izdalīšanas no elementiem un to ietekme uz citiem lika pamatus radioaktivitates atklašanai.

Viens no šķēršļiem mūsdienīgas atoma uzbūves teorijas izveidošanai bija ladiņa noteikšana visu atomu kodoliem. Ta ka atoms pilnība ir neitrals, tad, nosakot kodola ladiņu, varētu noskaidrot arī apkart tam esošo elektronu skaitu (elektrona ladiņš bija jau zinams īsi pēc tam, kad to atklaja). Lielu palīdzību deva rentgenstaru pētīšana, kas arī ļava noteikt aptuvenu elektronu skaitu atoma. Tai paša laika Rezerfords, pētot alfa daļiņas, noteica: ja elektronu pieņem par ladiņa vienu vienību, tad atoma ladiņš ir aptuveni vienads ar pusi no visas šī elementa atommasas. Vēlak viss kopa ņemot zinatniekiem ļava secinat, ka skaitliski atoma kodola ladiņš ir vienads ar šī elementa kartas skaitli PS (elementu periodiskaja sistēma). Tada veida arī noteica precīzu skaitu elektronu katra atoma.

Talak Rezerforda atoma modeli attīstīja Nīls Bors, kas savos pētījumos izmantoja spektru starus (Katra elementa atoms, apstarojot to, izdala noteikta garuma gaismas absorbcijas staru. Katram elementam atbilst savi noteikti spektri).

Zinatnieki secinaja, balstoties uz Rezerforda hipotēzi, kas bija radusies uz klasiskas mehanikas pamatiem, ka elektroniem, kustoties atoma, būtu jaizdala elektromagnētiskie stari, tapēc var pieņemt. Līdz ar to tika secinats, ja elektrons izstaro šos starus, tad tas līdz ar to izdala daļu savas enerģijas. Elektronam zaudējot enerģiju, tiek izjaukts enerģiskais līdzsvars starp atoma kodolu un elektronu. Lai atjaunotu šo enerģijas zudumu, elektronam būtu jatuvojas pie kodola. Šim procesam notiekot, beigas elektronam būtu “janokrīt” uz kodola. Līdz ar to atomam būtu jaizbeidz sava pastavēšana, kas nav iespējam. Noskaidrojas, ka Rezerforda teoriju nepaskaidro vēl dažus faktus, kas pētīti saistība ar atoma struktūru. Viens no tiem bija tas, ka katra elementa atomi izdalīja sava veida un noteiktus spektrus.

1913. gada Nīls Bors publicēja savu atoma uzbūves teoriju, kura viņam izdevas apvienot Rezerforda atklajumus un absorbciju spektru pētījumus, izmantodams starojuma kvantu teoriju, ko ieviesa vacu izcelsmes fiziķis Makss Planks (Šīs teorijas pamata bija hipotēze, ka elektrons, izstarojot gaismas vilni, tūlīt to arī pievelk atpakaļ).

Bora atoma teorijas pamata bija trīs svarīgi pieņēmumi jeb postulati:

J     Elektrons var kustēties ap kodolu nevis pa jebkuram orbītam, bet tikai pa stabilam (kvantētam) orbītam, kur mijiedarbība starp elektronu un kodolu ir līdzsvara.

J     Parvietodamies, pa kadu no šim orbītam, elektrons enerģiju neizstaro.

J     Elektrons izstaro enerģiju tikai tad, ja pariet no orbītas, kas atrodas talak no kodola, uz orbītu, kas atrodas tuvak pie kodola.

Bors pieradīja, ka elektronam, , kas atrodas kodolam vistuvakaja orbīta, piemīt vismazakais enerģijas krajums un tas ir stiprak saistīts ar kodolu, t.i., elektrons atrodas stabila stavoklī. Ja no arienes pievada pietiekamu enerģijas (siltuma, gaismas vai elektriskas enerģijas) daudzumu, elektrons pariet uz kadu citu orbītu, kas atrodas talak no kodola. Līdz ar to elektronam piemītošas enerģijas daudzums palielinas, bet elektrona saistība ar kodolu pavajinas, t.i., elektrons pariet nestabila stavoklī. Tadejadi Bors ieviesa priekšstatu par elektronu enerģijas līmeņiem.

Mūsdienu atoma uzbūves teorija elektronu vairs neuzskata par materialu punktu, kas kustas saskaņa ar klasiskas mehanikas likumiem. Ir pieradīts, ka elektronam piemīt gan materialas daļiņas, gan viļņa īpašības un līdz ar to elektrona kustības aprakstīšanai nepieciešams kvantu mehanikas likumus.

Kvantu mehanika ar elektrona “orbītu” saprot telpu ap kodolu, kura elektronam ir vislielaka iespēja atrasties. Ta ka elektrons kustas ar milzīgu atrumu, tad var iedomaties, ka ta negatīvais ladiņš ir it ka izplūdis, izveidojot “elektrona makoni”.

Lasot un macoties par atomu, ir jaievēro viens fakts, ka viss līdz šim apskatītais ir tikai pieņēmumi, kas ir pieradīti tikai teorētiski.

©Referatu kolekcija

https://www.referati.dpu.lv