زمان مطالعه: ۶ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ آموزشی بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث مدل اتمی رادرفورد از کتاب فیزیک ۳ پایه دوازدهم بپردازیم. لازم به ذکر است که مباحث مطرح شده در این مقاله می‌تواند برای درس علوم تجربی دوره اول متوسطه و همچنین دروس شیمی دوره دوم متوسطه نیز مفید باشد. با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید.

مدل اتمی تامسون | مدل کیک کشمشی

فیزیکدانی انگلیسی به نام جوزف تامسون در حدود سال ۱۸۹۶ میلادی موفق به کشف الکترون شد. وی همچنین نسبت بار الکتریکی الکترون به جرم آن  را نیز انجام داد. تامسون با کشف الکترون سعی کرد تا مدلی را برای ساختار اتم ارائه کند.  مدل اتمی تامسون در حدود سال ۱۹۰۴ میلادی ارائه شد.

مدل اتمی تامسون : اتم همچون کره‌ای است که بار الکتریکی مثبت به طور همگن در سراسر آن گسترده شده است و الکترون‌ها که سهم ناچیزی در جرم کل اتم دارند، در جاهای مختلفی از این کره پراکنده شده‌اند.

لازم به ذکر است که مدل اتمی تامسون به مدل کیک کشمشی نیز معروف است. چرا که اگر اتم را یک کیک در نظر بگیریم، الکترون‌ها همچون کشمش درون کیک به طور پراکنده قرار گرفته‌اند. شکل زیر مدل اتمی تامسون را نشان می‌دهد.

مدل اتمی تامسون
در مدل تامسون، بار الکتریکی مثبت به طور همگن در کره ای توزیع شده است و الکترون ها مانند کشمش های کیک در نقاط مختلف آن قرار دارند.

مدل اتمی تامسون بیان می‌کند، هنگامی که الکترون‌ها حول وضعیت تعادلیشان در فرکانس‌های معینی نوسان کنند، این نوسان‌ها موجب تابش امواج الکترومغناطیسی از اتم می‌شوند. اما فرکانس‌های گسیل یا تابش شده از اتم که مدل اتمی تامسون پیش‌بینی می‌کرد، با نتایج تجربی سازگار نبود.

جدا از مسئله فرکانس‌های تابش، مطالعه‌هایی که ارنست رادرفورد روی مدل اتمی کیک کشمشی انجام داد، مشخص کرد که بار مثبت اتم باید در بخش خیلی کوچکی در مرکز اتم باشد.

آزمایش ورقه طلای رادرفورد | آزمایش پراکندگی رادرفورد

ارنست رادرفورد در حدود سال ۱۹۱۱ میلادی نتایج آزمایش‌هایی را منتشر کرد که مدل اتمی تامسون توانایی توجیه این نتایج را نداشتند. به همین جهت مدل اتمی تامسون کنار گذاشته شد.

رادرفورد و همکارانش، باریکه‌ای از ذرات آلفا را بر سطح ورقه‌ای نازک از جنس طلا فرو تاباندند. لازم به ذکر است که ذره آلفا همان هسته اتم هلیوم دو بار مثبت (اتم هلیوم بدون الکترون) است. رادرفورد با توجه به مدل اتمی تامسون انتظار داشت که تمامی ذرات آلفا، با انحراف بسیار کمی از ورقه طلا بگذرند.

در عمل نیز بیشتر ذرات آلفا بدون انحراف یا با انحراف بسیار کمی از ورقه طلا می‌گذشتند و به صفحه فلوئورسان که حول ورقه طلا قرار داشت برخورد می‌کردند و تولید نور می‌کردند. در واقع صفحه فلوئورسان در حکم آشکارساز ذرات آلفا عمل می‌کند.

نکته بسیاز جالب توجه در این آزمایش این بود که برخی از ذرات الفا در هنگام خروج از ورقه نازک طلا در زاویه‌های بزرگی منحرف و پراکنده می‌شدند و حتی تعدادی از ذرات آلفا به سمت عقب برمی‌گشتند. رادرفورد با مشاهده این مورد عنوان کرد که ذرات آلفا باید با یک چیز پر جرم برخورد کرده باشند تا بتوانند به این شکل پراکنده شوند و یا به سمت عقب بازگردند.

آزمایش ورقه طلای رادرفورد
تمام وسیله ها در یک اتاقک خلأ قرار دارد که در این شکل نشان داده نشده است.

چنین مشاهده‌ای با مدل اتمی تامسون قابل توضیح نبود به همین دلیل رادرفورد و همکارانش استدلال کردند که ذره‌های بدون انحراف باید از قسمت‌هایی از ورقه طلا عبور کرده باشند که تهی است. همچنین ذراتی که دارای انحراف‌هایی بسیار شدید هستند باید از مرکزهایی بسیار چگال (پر جرم) و دارای بار مثبت منحرف شوند.

آزمایش پراکندگی رادرفورد از ورقه طلا
آزمایش پراکندگی ذرات آلفا از ورقه طلا

رادرفورد در نهایت نتیجه گرفت که اتم دارای یک هسته چگال (پر جرم) با بار الکتریکی است که در مرکز اتم جای گرفته است. این گفته با مدل اتمی تامسون به طور آشکار مغایرت داشت.

مدل اتمی رادرفورد

رادرفورد با توجه به آزمایش ورقه طلا و مشاهده نتایج آن، سرانجام در حدود سال ۱۹۱۲ میلادی، الگو یا مدل اتمی خود را ارائه کرد. بنابر مدل اتمی رادرفورد‌، اتم دارای یک هسته بسیار چگال، کوچک و با بار الکتریکی مثبت است که در مرکز اتم جای دارد. الکترون‌ها نیز در فاصله‌هایی به نسبت دور، هسته اتم را احاطه کرده‌اند.

اتم در حالت طبیعی از لحاظ الکتریکی خنثی است. چرا که بار الکتریکی مثبت هسته به اندازه مجموع بار الکتریکی منفی الکترون‌هایی است که هسته را احاطه کرده‌اند. لازم به ذکر است که مدل اتمی رادرفورد به مدل اتم هسته ای یا مدل هسته ای اتم نیز موسوم است.

نارسایی مدل اتمی رادرفورد

مدل اتمی رادرفورد علی‌رغم موفقیت در توضیح دقیق‌تر ساختار اتم (بیشتر هسته)، با چالش‌هایی همراه بود که البته این چالش‌ها برای خود رادرفورد نیز مطرح بود. به بیان بهتر، مدل اتمی رادرفورد‌، هیچ اشاره‌ای به چگونگی حرکت الکترون‌ها نمی‌کرد.

این مدل تنها عنوان می‌کرد که اتم دارای یک هسته با بار الکتریکی مثبت است که در مرکز آن قرار داشته و بیشتر جرم اتم را شامل می‌شود. الکترون‌ها نیز در فضای اتم در فاصله‌هایی از هسته قرار گرفته‌اند. اما این الکترون‌ها چگونه حرکت می‌کنند ؟! چگونه تابش‌هایی مشاهده شده از اتم‌ها را با توجه به مدل اتمی رادرفورد توجیه کنیم ؟

یکی از مشکلات اساسی الگو اتمی رادرفورد این بود که اگر الکترون‌ها را نسبت به هسته ساکن فرض کنیم، باید تحت تاثیر نیروی جاذبه کولنی بین هسته (بار مثبت) و الکترون (بار منفی)، الکترون روی هسته سقوط کند که در نتیجه اتم ناپابدار است. بدیهی است که این امر با واقعیت همخوانی ندارد.

نارسانایی مدل اتمی رادرفورد
نارسانایی مدل اتمی رادرفورد – فروپاشی اتم در اثر سقوط الکترون روی هسته اتم به واسطه نیروی جاذبه کولنی

حال فرض کنیم که الکترون‌ها به دور هسته در حال چرخش هستند (حرکت دایره‌ای). از آنجایی که حتی حرکت دایره‌ای یکنواخت، حرکتی شتابدار محسوب می‌شود، همین شتابدار بودن الکترون‌ها عامل ناپایداری اتم می‌شود. در نظریه الکترومغناطیس  (الکترودینامیک) کلاسیک، بارهای شتابدار، موجب تابش امواج الکترومغناطیسی می‌شوند که فرکانس این امواج با فرکانس حرکت مداری الکترون برابر است.

طبق این فرض اگر الکترون به دور هسته در حال چرخش باشد، از آنجایی که حرکتش شتابدار است، امواج الکترومغناطیسی تابش می‌کند. این تابش امواج الکترومغناطیسی از الکترون شتابدار، موجب کاهش انرژی الکترون می‌شود. کاهش انرژی الکترون خود باعث می‌شود که شعاع مداری الکترون به دور هسته به تدریج کوچک‌تر شود که این امر خود منجر به افزایش فرکانس حرکت مدار الکترون می‌شود.

افزایش فرکانس حرکت مداری الکترون، خود باعث افزایش فرکانس امواج الکترومغناطیسی تابش شده می‌شود. با این اوصاف باید طیف امواج الکترومغناطیسی گسیل یا تابش شده از اتم پیوسته باشد و الکترون پس از گسیل پی در پی امواج در نهایت روی هسته سقوط کند.

این امر نیز با واقعیت سازگار نیست. چرا که طیف با مسئله طیف خطی گسیل شده از اتم‌ها همخوانی ندارد. پس توجه داشته باشید که مدل اتمی رادرفورد نیز نتوانست مسئله تابش خطی اتم‌ها را توجیه کند.

ناپایداری اتم در مدل رادرفورد
ناپایداری اتم در مدل اتمی رادرفورد | مسئله تابش

 

نارسایی مدل اتمی رادرفورد

 

مدل اتمی بور برای اتم هیدروژن

در حدود سال ۱۹۱۳ میلادی، بور مدلی برای اتم هیدروژن مطرح کرد که علاوه بر رفع مسئله ناپایداری اتم در مدل اتمی رادرفورد‌، با معادله ریدبرگ برای طیف خطی اتم هیدرژن نیز سازگار بود. جهت اشنایی کامل با مدل اتمی بور به مقاله زیر مراجعه فرمایید.

امیدواریم تا مقاله مدل اتمی رادرفورد مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. امیدواریم تا مقاله مدل اتمی بور مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر سایر مقالات حوزه فیزیک وبلاگ بین جو داشته باشید.

میانگین امتیازات ۵ از ۵