III.3. Experimentul Rutherford. Modelul planetar al atomului.

Până în 1897 savanții credeau că atomii sunt cele mai mici particule ale materiei.

Fizicianul J. J. Thomson a descoperit electronul, măsurând masa razelor catodice și arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de circa 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom, cel de hidrogen. Astfel s-a descoperit prima particulă subatomică pe care el a numit-o inițial „corpuscul”, și mai târziu electron. Thomson a arătat și că ele sunt identice cu particulele emanate de materialele fotoelectrice și de cele radioactive. S-a recunoscut rapid că acestea sunt chiar particulele care transportă curenții electrici în firele de metal, și care poartă sarcina electrică negativă în atomi.

Thomson a formulat un model al atomului în care electronii încărcați negativ sunt distribuiți într-o sferă încărcată cu sarcini pozitive. Modelul lui Thomson a devenit cunoscut ca modelul „cozonacului cu stafide”, unde electronii sunt stafidele și coca cozonacului este nucleul. Astfel, masa sarcinii pozitive este mult mai mare decât masa electronilor și substanța pozitivă umple efectiv tot atomul.

În 1909, Hans Geiger și Ernest Marsden, sub conducerea lui Ernest Rutherford, au bombardat foițe metalice (de aur cu grosimea de 0,6 ∙ 10^-6 m) cu particule alfa (nuclee de He²⁺) pentru a observa cum se împrăștie ele. Ei se așteptau ca toate particulele alfa (care au masa mult mai mare față de cea a electronului) să treacă direct prin foițe, cu minime devieri, deoarece modelul lui Thomson spunea că sarcina pozitivă în cadrul atomului este distribuită uniform în tot atomul. Dacă sarcina pozitivă a nucleului de Au nu este punctiformă, ci distribuită într-un volum egal cu al atomului de Au, atunci și câmpul electric generat în interiorul atomului este mic. În acest caz forța electrică din partea nucleului de Au ce acționează asupra nucleelor de He ar fi trebuit să fie mică și să devieze ușor nucleele de He⁺² (particulele α).

Cu toate acestea, savanții au constatat că unele particule α erau deviate la unghiuri mai mari de 90°, ceea ce în mod normal ar fi trebuit să fie imposibil potrivit modelului Thomson.

• Când viteza inițială a particulei α nu este orientată pe direcția nucleului, particula α este deviată ușor de nucleul atomului.

• Când viteza inițială a particulei α este orientată pe direcția nucleului, particula α este deviată cu unghiuri mai mari de 90° de nucleul atomului (datorită forțelor de respingere electrostatică dintre nucleul pozitiv și particula α pozitivă- nuclee de He²⁺).

Pentru a explica devierile mari ale particulelor α de către atomii foiței de aur, Rutherford a presupus că sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu mic aflat în centrul atomului. Asta înseamnă că în interiorul atomului există o zonă mică în care câmpul electric produs de nucleu este foarte intens, în așa fel încât să fie în stare să respingă înapoi particulele alfa.

Rutherford a concluzionat că sarcina pozitivă a atomului trebuie să fie concentrată într-un volum foarte mic care produce un câmp electric suficient de intens pentru a devia particulele alfa atât de puternic.

Modelul planetar Rutherford, propus în 1911, are trei caracteristici esențiale :

- Nucleul atomului conține aproape toată masa atomului, concentrată într-un volum foarte mic. El are un diametru de 10^-14 - 10^-15 m, mult mai mic decât diametrul atomului de 10^-9 - 10^-10 m. Deoarece nucleul este de zeci de mii de ori mai mic decât atomul, iar electronii și mai mici, înseamnă că de fapt atomii au mult spațiu gol în ei (asemenea sistemelor solare care conțin mult spațiu vid).

- Nucleul este încărcat pozitiv și învelișul electronic este negativ. Ele au sarcini egale, dar de semn opus, astfel încât atomul este neutru d.p.d.v. electric.

- Învelișul electronic este un nor de electroni (asemeni planetelor) care se rotește în jurul nucleului (asemenea Soarelui). Rotația electronilor în jurul nucleului se datorează forțelor de atracție electrostatică, care joacă rol de forțe centripete.

Atomul este cea mai mică particulă dintr-o substanță care nu mai poate fi divizat prin procedee chimice obișnuite.

Structura atomului:

1. Nucleul este partea centrală a atomului, alcătuit din particule numite nucleoni, și-anume:
- Protoni, particule încărcate cu sarcină pozitivă, cu simbolul p⁺¹.
- Neutroni, particule neutre din punct de vedere electric şi simbolul n⁰.

2. Învelișul electronic este spațiul din jurul nucleului format dintr-un nor de particule numite electroni care gravitează în jurul nucleului. Electronii sunt particule cu sarcină negativă, masa electronului și simbolul e^-1 sau ē.

Atomul este o particulă neutră din punct de vedere electric, deoarece are numărul de protoni din nucleu (particule pozitive) egal cu numărul de electroni din învelișul electronic(particule negative), adică: nr. p⁺ = nr. ē

Numărul atomic: Z = nr. p⁺ = nr. ē

Numărul de masă = A = nr. p⁺ + nr. n⁰

Numărul de neutroni din nucleu (număr neutronic) = N = A – Z

Caracteristici ale particulelor elementare (subatomice):

Unitatea atomică de masă (u) reprezintă a 12-a parte din masa izotopului de carbon,

Masa atomică relativă (A) este numărul care arată de câte ori masa unui atom este mai mare decât unitatea atomică de masă.

Modelul planetar al atomului de hidrogen

Electronul atomului de H, cu sarcina –e, se rotește în jurul nucleului, cu sarcina +e.

Forța de interacțiune coulombiană nucleu-electron joacă rol de forță centripetă, adică :

Scoțând viteza electronului din această ecuație, obținem expresia energiei cinetice a electronului :

Energia potențială a sistemului proton – electron este :

Energia totală a sistemului proton – electron este :

Deoarece raza orbitei (r) poate lua orice valoare (obligatoriu pozitivă) înseamnă că energia totală a sistemului poate să ia și ea orice valoare (negativă).