Tamás Ferenc: Atommodellek

BevezetésH2O

Az általunk ismert világ anyagi részekből áll. Ha kicsit jobban megközelítjük az egyes anyagi részecskéket, akkor már molekulákra bomlanak. Egyik ilyen legegyszerűbb molekula a víz, melynek ismert képlete (H2O) is: ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy két rész hidrogénből és egy rész oxigénből áll. (Kép eredetije: http://commons.wikimedia.org/) Ezzel már el is jutottunk a molekulák összetevőihez: az egyes atomokhoz. Maga az atom szó a görög filozófiában a tovább nem bontható, elemi részt jelenti. (értsd: atomosz görög szó: oszthatatlan).

A mai tudományunkkal ezt az atomot már tudjuk használni, hiszen miközben ezen sorokat írom, én is elektromos áramot használok, melynek jelentős része a paksi atomerőműből származik.

Az atomok létezésre vonatkozó legelső utalást 1800-ban Dalton tette meg, aki felfedezte, hogy egy kémiai vegyületben a vegyületet alkotó elemek súlyainak aránya mindig állandó. A fenti vizes példánál maradva a hidrogén és az oxigén súlyaránya mindig 1:8. Random Walk

A súlyarányok kísérleti megállapításával meghatározható lettek az egyes atomok tömegarányai. Definíció szerint a C12-es szénizotóp tömegén 12 atomi tömegegységnek tekintjük. Tehát ennek 1/12-ed része az atomi tömegegység. A relatív atomtömeg pedig az a mértékegység nélküli szám, amely ennek az egységnek valahányszorosa.

Ha már a definícióknál tartunk, jöjjön még egy: 1 mól az az anyagmennyiség, amely ugyanannyi molekulát tartalmaz, mint amennyi atom 12 gramm szénben van. A szám hivatalos neve: Loschmidt-szám, illetve Avogadro-szám. Értéke pedig: 6,022045*1023.

 

Jogosan merül fel a kérdés, hogy mindez hogyan mutatható ki a gyakorlatban?

Leginkább a Brown-mozgás alkalmas erre! Adott egy kicsi tálka, melyet nagyító alá helyezünk, de nem fedjük le. Óvatosan a tálcába fújunk egy kis cigarettafüstöt, majd egy jó nagyítóval szemügyre vesszük egy dohánymolekula mozgását. (Felfedező: Brown, angol botanikus, 1827) A dolog érdekessége, hogy csak a meglehetősen nagy dohányfüst-molekulát lehet látni, amely össze-vissza mozog, de a mozgást létrehozó aprócska levegő-alkotókat, már nem. (Kép eredetije: http://www.enc.hu/ ) A képen egy dohányfüst-molekula véletlen mozgása látható.

Thomson-modell


Az idők során az is kiderült, hogy maga az atom sem egy és oszthatatlan, hiszen biztosan vannak elektronjai, melyek mozgása okozza az elektromos áramot. Magát az elektront 1897-ben fedezte fel Joseph John Thomson (1856-1940) angol fizikus. Utána pár évvel, már 1904-ben felállította a legelső, kezdetleges atommodellt, a „mazsolás puding” modellt. Ő úgy képzelte, hogy az egész atom egy gyenge pozitív töltést hordoz, mint a puding és benne vannak elszólva az elektronok, mint egyes mazsolák.

(Kép eredetije: https://socratic.org/questions/how-you-would-show-j-j-thomas-s-model-of-the-atom-using-small-beads-and-clay) Így az atomban nagyjából egyenletesen oszlik meg a tömeg, míg az elektronok igen kicsi tömeggel rendelkezve véletlenszerűen szóródnak szét az atomon belül.

J.J.Thompson

Képen: J.J.Thompson (1856-1940)
Fizikai Nobel-díj 1906
(Kép forrása: http://www.nobelprize.org)

A Rutherford-modell

A modell legelső cáfolata Ernest Rutherford (új-zélandi születésű angol fizikus, 1871-1937) szóródási kísérlete volt. Segédek: Hans Geiger és Ernest Marsden. Helyszín: Manchester-i Egyetem fizikai laboratóriuma. 1909-ben egy igen vékony aranyfüstlemezt bombáztak Hélium-atommagokkal, amik aránylag nehezek voltak a maguk 4 nukleonjával (2 proton, 2 neutron; elektronokat leválasztották). Sugárforrásként radioaktív anyagot (meglehetősen bomlékony rádiumot) használtak. Az egész berendezést légritkított térbe helyezték, hogy az esetleges levegő-alkotórészekkel való ütközés esélyét is minimalizálják. Maga az aranyfólia viszont egy cink-szulfid fóliával volt körülvéve, amelyet egyszerűen detektornak használtak. Az akkor divatos mazsolás puding elmélet szerint az ütköző alfa-részecskék legfeljebb pár fokos szenvednek el, ha ütköznek az atommal. Viszont észrevételük szerint az ütköző részecskék igen kis százaléka egész magas, akár 120-160 fokos „gellert kap”, amit csak az okozhat, hogy az atom egészen másként néz ki, mint azt Thomson gondolta. A felső képen az eredeti elképzelés látható, míg az alsón a megfigyelt eredmény.

Geiger-Marsden kísérlet

(Kép eredetije: http://large.stanford.edu/courses/2017/ph241/sivulka2/) Ezt az eredményt csak úgy lehet megkapni, hogy az atomon belül, konkrétan az atommagban koncentrálódik az atom tömegének nagy része és ez téríti el a bombázó alfa-részecskéket, fallal ütköző biliárdgolyókat. Az eredményeket és a következtetéseket 1911-ben publikálta Rutherford. Számításai szerint az atom tömegének döntő része magában az atommagban koncentrálódik és csak igen kis tömegrész marad az atommag körüli elektronokra. Szerinti az atommag mérete 3,4*10-14 méter, ami nagyjából ötszöröse a ma elfogadottak. Ez az aranyatom 10-10 méteres sugarához képest igen csekély, mindössze 1/3000-ed része.

 

 

Rutherford-modell

A modell...

Rutherford

… és alkotója

Kép eredetije: www.eurotrib.com

Kép eredetije: www.nobelprize.org

A kísérletről szóló videó:

A modell szerint a mag körül keringő elektronok a Coulomb-erő hatására maradnak körpályán. Ezzel egyetlen baj van: a nagyjából körpályán keringő elektronok gyorsulnak, így elég gyenge elektromágneses sugárzást gerjesztenek, de ezt sajnos nem sikerült kimutatni. Ráadásul az állandó sugárzást energiavesztést okozna, amitől az elektronok spirális pályán lassan belezuhannának a magba, de ez nem történik meg!

Annak ellenére, hogy a Rutherford-modell pontatlan, a nyilvánosság számára közérthető és igen elterjedt; míg a jóval pontosabb Bohr-modell nem ennyire közismert. Számos felhasználásra akadt példa a publikálása óta:

Az USA Atomenergetikai Bizottságának logója. Ez a bizottság nagyrészt felelős a maghasadás későbbi felhasználásaiért.

(Kép forrása: https://en.wikipedia.org/wiki/United_States_Atomic_Energy_Commission)

AEC

A Nemzetközi Atomenergetikai Ügynökség (IAEA) zászlója egy Rutherford-atom, körülötte egy olajfa ágakba zárva.
(Kép forrása: http://logonoid.com/iaea-logo/)

IAEA

Az Amerikai Ateisták szimbóluma.

(Kép forrása: https://atheists.org/)

Ateists