Atoma uzbūve

Jau 5. – 4. gadsimtā pirms mūsu ēras Senajā Grieķijā filozofi pauda viedokli par matērijas pastāvēšanu, par tās uzbūvi. Daži pauda, ka tā ir vienota, nedalāma, bet citi uzskatīja, ka tā sastāv no sīkām daļiņām – atomiem (tulkojumā no grieķu valodas – nedalāms). Šie uzskati radās tad, kad filozofi meklēja Visuma rašanās izskaidrojumu. Tieši Dēmokrita uzskats par matērijas uzbūvi no atomiem lika pamatu materiālismam, kas savukārt sekmēja šī uzskata tālāku izpēti.

No tā laika pagāja daudzi gadsimti, kamēr cilvēki sāka interesēties par atoma pastāvēšanu un sāka tā izpēti. Var piebilst, ka iemesls šai kavēšanai nebija parastais cilvēka slinkums, bet gan daudzie kari, slimības un arī pastāvoša vara. Kad šie šķēršļi tika kaut daļēji pārvarēti, nāca gaismā arī zinātniska rakstura darbi, publikācijas par matēriju, atomu, elementu, vielu u.t.t.

Šo izpēti turpināja slaveni zinātnieki kā 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.), itāļu fiziķis A. Avogadro un, protams, bija arī daudzi citi mazāk populāri cilvēki, kas palīdzēja uzskata veidošanā par atomu, kādu mēs pazīstam mūsdienās.

Periodiskais likums, ko formulēja Dmitrijs Mendeļejevs, rāda likumsakarību starp visiem elementiem. Tas rāda, ka pamatā visiem atomiem ir kaut kas kopīgs. Līdz 19. Gadsimta beigām ķīmijā valdīja uzskats, ka atoms ir molekulas sīkākā daļiņa, kas nav tālāk dalāma. Pastāvēja uzskats, ka visās ķīmiskajās reakcijās sadalās un rodas tikai molekulas, bet atomi paliek neizmainījušies. 19. Gadsimta beigās tika izdarīti atklājumi, kas parādīja par iepriekš minētā uzskata nepareizīgumu. Tika pierādīta atoma sarežģītās uzbūves esamība un tā pārvēršanās no viena veida citā.

Šie atklājumi arī bija ierosinājums atoma uzbūves pētīšanai.

Pirmo ievērojamo soli spēra Džons Daltons (viņš tiek uzskatīts par ķīmiskās atomistikas radītāju). Viņš pētīja gāzes, un tieši to pētījumu rezultātā Dž. Daltons nonāca pie secinājumiem: 

J  Visi viena elementa atomi ir gluži vienādi.

J  Dažādu elementu atomi var savienoties cits ar citu dažādās attiecībās.

J  Katra elementa atomam ir raksturīga sava noteikta atommasa.

Pats lielākais Dž. Daltona nopelns ir atommasas jēdziena radīšana. Patiesās atomu masas, protams tajā laikā nevarēja iegūt, tādā veidā šis zinātnieks ieviesa arī relatīvās atommasas aprēķināšanu – viņš patvaļīgi izvēlējās kāda atoma masu par vienību un izrēķināja pārējo attiecību pret to.

Līdz Dž. Daltonam pastāvēja uzskats, ka atoms pēc savas uzbūves ir blīva, nedalāma daļiņa, bet līdz ar elektrona atklāšanu nāca klajā jaunas teorijas.

Eksperimentāli elektrona esamību 1897. gadā pierādīja angļu fiziķis Džozefs Džons Tomsons (1856. – 1940.). Viņš veica eksperimentus ar katodstariem gāzizlādes caurulītē, kurā tika panākts zems spiediens un ar elektrodiem pievadīts augsts spriegums (1500V). Tādos apstākļos caurulītē viņš ieguva “neredzamus” katodstarus, kas radīja spilgti zaļus uzplaiksnījumus tajās vietās, kur tie sastapās ar caurulītes iekšējo virsmu. Šie novērojumi ļāva zinātniekiem izdarīt secinājumu, ka šie stari ir negatīvi lādētu daļiņu plūsma. Atkārtojot šādu eksperimentu ar vairākām gāzēm, Tomsons ieguva vienādus rezultātus, tādā veidā pierādīdams, ka visu elementu atomi satur negatīvas daļiņas – elektronus.

No tā viņš secināja, ka atoms ir pozitīvi lādēta sistēma, kurā ir “iespiedušies” negatīvi lādētie elektroni, tādā veidā izveidodams savu atoma modeli.

Praktiski atoma uzbūves pētīšana sākās 1897. – 1898. gadā , kad bija līdz galam izpētīti katodstari. Fakts, ka elektroni izdalījās no vairākām vielām, veda pie secinājuma, ka elementi ietilpst visu elementu sastāvā. Bija arī zināms, ka atoms ir elektroneitrāls, no kā zinātnieki secināja, ka tā uzbūvē ir jābūt kādai daļai, kas ir neatklāta, un, kas neitralizēja elektronu negatīvo lādiņu. Šo pozitīvi lādēto daļu atklāja Ernests Rezerfords, pētīdams alfa daļiņu plūsmu gāzēs un citās vielās.

(Alfa daļiņas, kuras izdalās no aktīvajiem elementiem, ir pozitīvi lādēti hēlija (He) joni, kuru sasniedz ātrumu līdz pat 20000 km/s (salīdzinājumam: ja mašīna brauc ar 100 km/h, tad tas ir 27,8 m/s= 0,0278 km/s). Pateicoties tik lielam ātrumam, alfa daļiņas, lidojot cauri gaisam un ietriecoties tajā esošajos atomos, izsit no tiem elektronus. Atomi, kas zaudējuši elektronus, kļūst par pozitīvi lādētiem joniem, bet izsistie elektroni uzreiz piesaistās 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. Vēlāk ierīci, ko izgudroja šis zinātnieks, alfa daļiņu izsekošanai nosauca viņa vārdā – Vilsona kamera.)

Pētot daļiņu plūsmas ar kameras palīdzību, Rezerfords pamanīja, ka kamerā alfa daļiņu ceļi ir paralēli, bet, izlaižot tos caur kādas gāzes slāni vai plānu metāla plāksnīti, daļiņu ceļi novirzās no iepriekšējā stāvokļa. Dažas daļiņas mainīja virzienu ļoti izteikti sāņus, citas nemainīja nemaz, bet bija arī tādas, kas atlēca atpakaļ. Pamatojoties uz šiem vērojumiem, Rezerfords izteica savu hipotēzi, kā būvēts atoms: atoma centrā atrodas pozitīvi lādēts kodols, ap kuru pa dažādām orbītām riņķo negatīvi lādēti elektroni. Šo savu modeli

zinātnieks nosauca par planetāro modeli, jo viņš uzskatīja, ka elektroni kustas tāpat, kā planētas kustas ap Sauli.

Šis atoma modelis skaidro alfa daļiņu novirzi no paralēlā ceļa. Kodola un elektrona lielumi ir ļoti mazi salīdzinājumā ar pašu atomu, tāpēc lielākā daļa alfa daļiņu palido tiem garām ar minimālu virziena maiņu. Tikai tajos gadījumos, kad daļiņas nonāk ļoti mazā attālumā no atoma kodola, iedarbojas atgrūšanās spēki, kas arī izsauc alfa daļiņu strauju kustības virziena maiņu. Tādā veidā, alfa daļiņu izdalīšanās no elementiem un to ietekme uz citiem lika pamatus radioaktivitātes atklāšanai.

Viens no šķēršļiem mūsdienīgas atoma uzbūves teorijas izveidošanai bija lādiņa noteikšana visu atomu kodoliem. Tā kā atoms pilnībā ir neitrāls, tad, nosakot kodola lādiņu, varētu noskaidrot arī apkārt tam esošo elektronu skaitu (elektrona lādiņš bija jau zināms īsi pēc tam, kad to atklāja). Lielu palīdzību deva rentgenstaru pētīšana, kas arī ļāva noteikt aptuvenu elektronu skaitu atomā. Tai pašā laikā Rezerfords, pētot alfa daļiņas, noteica: ja elektronu pieņem par lādiņa vienu vienību, tad atoma lādiņš ir aptuveni vienāds ar pusi no visas šī elementa atommasas. Vēlāk viss kopā ņemot zinātniekiem ļāva secināt, ka skaitliski atoma kodola lādiņš ir vienāds ar šī elementa kārtas skaitli PS (elementu periodiskajā sistēmā). Tādā veidā arī noteica precīzu skaitu elektronu katrā atomā.

Tālāk 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).

             Zinātnieki  secināja, balstoties uz Rezerforda hipotēzi, kas bija radusies uz klasiskās mehānikas pamatiem, ka elektroniem, kustoties atomā, būtu jāizdala elektromagnētiskie stari, tāpēc var pieņemt. Līdz ar to tika secināts, 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 jātuvojas pie kodola. Šim procesam notiekot, beigās elektronam būtu “jānokrīt” uz kodola. Līdz ar to atomam būtu jāizbeidz sava pastāvēšana, kas nav iespējam. Noskaidrojās, ka Rezerforda teoriju nepaskaidro vēl dažus faktus, kas pētīti saistībā ar atoma struktūru. Viens no tiem bija tas, ka katra elementa atomi izdalīja sava  veida un noteiktus spektrus. 

            1913. gadā Nīls Bors publicēja savu atoma uzbūves teoriju, kurā viņam izdevās apvienot Rezerforda atklājumus un absorbciju spektru pētījumus, izmantodams starojuma kvantu teoriju, ko ieviesa vācu izcelsmes fiziķis Makss Planks (Šīs teorijas pamatā bija hipotēze, ka elektrons, izstarojot gaismas vilni, tūlīt to arī pievelk atpakaļ).

            Bora atoma teorijas pamatā bija trīs svarīgi pieņēmumi jeb postulāti:

J  Elektrons var kustēties ap kodolu nevis pa jebkurām orbītām, bet tikai pa stabilām (kvantētām) orbītām, kur mijiedarbība starp elektronu un kodolu ir līdzsvarā.

J  Pārvietodamies, pa kādu no šim orbītām, elektrons enerģiju neizstaro.

J  Elektrons izstaro enerģiju tikai tad, ja pāriet no orbītas, kas atrodas tālāk no kodola, uz orbītu, kas atrodas tuvāk pie kodola.

Bors pierādīja, ka elektronam, , kas atrodas kodolam vistuvākajā orbītā, piemīt vismazākais enerģijas krājums un tas ir stiprāk saistīts ar kodolu, t.i., elektrons atrodas stabilā stāvoklī. Ja no ārienes pievada pietiekamu enerģijas (siltuma, gaismas vai elektriskās enerģijas) daudzumu, elektrons pāriet uz kādu citu orbītu, kas atrodas tālāk no kodola. Līdz ar to elektronam piemītošās enerģijas daudzums palielinās, bet elektrona saistība ar kodolu pavājinās, t.i., elektrons pāriet nestabilā stāvoklī. Tādejādi Bors ieviesa priekšstatu par elektronu enerģijas līmeņiem.

Mūsdienu atoma uzbūves teorija elektronu vairs neuzskata par materiālu punktu, kas kustas saskaņā ar klasiskās mehānikas likumiem. Ir pierādīts, ka elektronam piemīt gan materiālās daļiņas, gan viļņa īpašības un līdz ar to elektrona kustības aprakstīšanai nepieciešams kvantu mehānikas likumus.

Kvantu mehānikā ar elektrona “orbītu” saprot telpu ap kodolu, kurā elektronam ir vislielākā iespēja atrasties. Tā kā elektrons kustas ar milzīgu ātrumu, tad var iedomāties, ka tā negatīvais lādiņš ir it kā izplūdis, izveidojot “elektrona mākoni”.

           

Lasot un mācoties par atomu, ir jāievēro viens fakts, ka viss līdz šim apskatītais ir tikai pieņēmumi, kas ir pierādīti tikai teorētiski.

©Referātu kolekcija

http://www.referati.dpu.lv