If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ha webszűrőt használsz, győződj meg róla, hogy a *.kastatic.org és a *.kasandbox.org nincsenek blokkolva.

Fő tartalom

Az elektron és az atommag felfedezése

Thomson katódsugárcső kísérlete és Rutherford aranyfólia kísérlete

Főbb pontok

  • J.J. Thomson katódsugárcső-kísérletei igazolták, hogy minden atom tartalmaz apró, negatív töltésű részecskéket, elektronokat.
  • Thomson mazsolás puding-modellje szerint a negatív töltésű elektronok a pozitív töltésű masszába ágyazódva helyezkednek el.
  • Rutherford aranyfólia kísérlete azt mutatta ki, hogy az atom nagy része üres tér, melyben egy apró, tömör, pozitív töltésű mag van.
  • Ezekre az eredményekre alapozva dolgozta ki Rutherford az atommagot feltételező atommodelljét.

Bevezetés: Dalton atomelméletének továbbfejlesztése

A Dalton-féle atommodellről szóló előző tananyagban, az alábbi alapelvekről volt szó:
  • Minden anyag tovább nem osztható részecskékből, atomokból áll, melyeket sem létrehozni, sem elpusztítani nem lehet.
  • Egy adott elem atomjainak tömege és fizikai tulajdonságai megegyeznek.
  • A vegyületek 2 vagy több elem atomjaiból állnak.
  • A kémiai reakciók az atomok átrendeződésével járnak.
Dalton felfedezései elengedhetetlenek voltak a modern atomelmélet kialakulásához. Egyik alapvető feltevéséről azonban később bebizonyosodott, hogy nem helytálló. Dalton úgy gondolta, hogy az anyag legkisebb építőelemei az atomok – apró, tömör gömbök, melyeket nem lehet további részekre bontani. Ez a tévhit mindaddig fennmaradt, amíg modern fizikai kísérletek be nem bizonyították, hogy az atomok még kisebb részecskékből állnak. Ebben a tananyagban az elektronok és az atommag felfedezéséhez vezető legfontosabb kísérleteket fogjuk sorra venni.

J.J. Thomson és az elektron felfedezése

A 19. század végén, J.J. Thomson fizikus katódsugárcsövekkel kezdett el kísérletezni. A katódsugárcső olyan zárt üvegcső, melyből a levegő nagy részét kiszivattyúzták. A cső egyik végén levő két elektród közé nagyfeszültséget kapcsolnak, aminek hatására részecskeáram indul meg a katód (negatív töltésű elektród) felől az anód (pozitív töltésű elektród) felé. A csövet azért hívják katódsugárcsőnek, mert a részecskeáram vagy „katódsugár” a katódból lép ki. A részecskeáram láthatóvá tehető, ha a cső anód mögötti végét úgynevezett fényporral festik meg. A fénypor szikrázik, vagy fényt bocsát ki, amikor a katódsugár becsapódik.
A katódsugárcső ábrája.
A J.J. Thomson által használt katódsugárcső sematikus ábrája. A részecskenyaláb a katódból lép ki, és áthalad az anódban lévő résen. A katódsugár a negatív töltésű elektródtól a pozitív töltésű felé térül el. A mágneses tér hatására történő irányváltás mértékének segítségével Thomson meg tudta határozni a részecskék töltés/tömeg arányát. Kép forrása: Openstax, CC BY 4,0.
Thomson a célból, hogy a részecskék tulajdonságait megvizsgálja, két ellentétes töltésű lemezt helyezett a katódsugár két oldalára. A katódsugár a negatív töltésű lemez felől a pozitív töltésű felé térült el. Ez arra utalt, hogy a katódsugár negatív töltésű részecskékből áll.
Thomson két mágnessel is elvégezte a kísérletet, és azt tapasztalta, hogy a mágneses tér is eltérítette a katódsugarat. Ezen kísérletek eredményeinek segítségével Thomson meg tudta határozni a katódsugarat alkotó részecskék töltés/tömeg arányát, ami ámulatba ejtő felfedezéshez vezetett a részecske tömege sokkal, sokkal kisebbnek bizonyult, mint bármely ismert atomé. Thomson megismételte kísérletét különböző fémeket használva elektródként, és arra jutott, hogy a katódsugár tulajdonságai nem változtak, bármilyen anyagú katódból származtak is. Ezekből az eredményekből Thomson az alábbi következtetéseket vonta le:
  • A katódsugár negatív töltésű részecskékből áll.
  • A részecskéknek az atomok részeinek kell lenniük, hiszen az egyes részecskék tömege csak \simstart fraction, 1, divided by, 2000, end fraction része a hidrogénatom tömegének.
  • Ezek az elemi részecskék minden elem atomjaiban megtalálhatók.
Bár először vitatták, a tudósok idővel elfogadták Thomson felfedezéseit. Végül a katódsugár részecskéi új, ismertebb nevet kaptak: elektronok. Az elektronok felfedezése megcáfolta Dalton atomelméletének azon részét, mely szerint az atomok oszthatatlanok. Az elektronok létének értelmezéséhez teljesen új atommodellre volt szükség.
Fogalom-ellenőrzés: miért jutott Thomson arra a következtetésre, hogy az elektronok minden elem atomjaiban megtalálhatók?

A mazsolás puding-modell

Thomson tudta, hogy az atomok semleges töltésűek, ezért arra következtetett, hogy kell lennie valaminek az atomban, ami a pozitív töltésével ellensúlyozza az elektronok negatív töltését. Ez vezetett ahhoz az elképzeléshez, hogy az atom nem más, mint egy pozitív töltésű leves és az abban lebegő negatív töltésű részecskék együttese. Ezt a modellt gyakran hívják mazsolás puding-(vagy inkább kalács-) modellnek, mivel az elképzelés nagyon hasonlít egy népszerű angol desszertre, a mazsolás pudingra (lásd az alábbi képen).
Az atomok mazsolás puding-modellje a jobb oldalon, és egy kép a mazsolás pudingról a balon.
A mazsolás puding-modell úgy írja le az elektronokat, mint pozitív töltésű tengerrel körülvett negatív töltésű részecskéket. Thomson atomjának szerkezete hasonlít a mazsolás pudingra, ami egy angol desszert (bal oldalon). Kép forrása: Openstax, CC BY 4,0.
Az alapján, amit az atomok szerkezetéről tudunk, ez a modell kissé légből kapottnak tűnhet. Szerencsére a tudósok folytatták az atomok szerkezetének kutatását, megvizsgálva Thomson mazsolás puding-modelljének igazságtartalmát.
Fogalom-ellenőrzés: Thomson javaslatot tett egy atommodellre, melyben egymástól elkülönült negatív töltések lebegnek egy pozitív töltésű „tengerben”. Ismersz másik atommodellt, amivel meg lehet magyarázni Thomson kísérleti eredményeit?

Ernest Rutherford és az aranyfólia kísérlet

Az atomok történetének következő úttörő kísérletét Ernest Rutherford új-zélandi fizikus hajtotta végre, aki élete nagy részét Angliában és Kanadában töltötte. Híres aranyfólia kísérletében egy alpha-részecskékből (ejtsd alfa-részecske) álló sugarat irányított egy leheletvékony színarany rétegre. Az alfa-részecskék hélium-atommagok left parenthesis, start subscript, 2, end subscript, start superscript, 4, end superscript, start text, H, e, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, right parenthesis, melyek különböző radioaktív bomlási folyamatok során keletkeznek. Kísérletében Rutherford egy rádiumdarabot (egy radioaktív fémet) helyezett el egy pici lyukkal ellátott ólomdobozban. A sugárzás nagy részét az ólom elnyelte, de egy vékony alpha-részecske-sugár kijutott a lyukon az aranyfólia felé. Az aranyfóliát egy detektorernyő vette körül, mely felvillanással jelezte az alpha-részecskék becsapódását.
A Rutherford aranyfólia kísérletében használt berendezés.
Aranyfólia kísérletében Rutherford egy alpha-részecskékből álló sugarat irányított egy vékony aranylemezre. Az alpha-részecskék nagy része irányváltás nélkül haladt át az aranyfólián, de egy kis hányaduk kissé eltérült, míg egy még kisebb részük pályája több, mint 90, degrees-kal megváltozott. Kép forrása: Openstax, CC BY 4,0.
Thomson mazsolás puding-modelljét alapul véve Rutherford azt várta, hogy az alpha-részecskék jelentős része egyenes irányban halad át az aranyfólián. Ez azért lehet, mert a mazsolás puding-modell szerint a pozitív töltés egyenletesen oszlik el az atom teljes térfogatában. Ennek következtében a pozitív töltésű „leves” elektromos tere túl gyenge ahhoz, hogy a viszonylag tömör és gyors alpha-részecskék pályáját jelentősen befolyásolja.
A kísérlet eredményei azonban meglepőek voltak. Bár majdnem az összes alpha-részecske akadálytalanul haladt át az aranyfólián, néhány alpha-részecske (nagyjából 20000-ből 1) több, mint 90, degrees-kal tért el az útvonaltól! Rutherford a következő hasonlattal szemléltette az eredményeit: „Ez volt eddigi életem lehihetetlenebb eseménye. Majdnem olyan hihetetlen, mintha egy 38 start text, c, m, negative, e, s, end text gránáttal egy szétterített papírzsebkendőre lőnénk, és az arról visszapattanva minket találna el.”
Rutherford aranyfólia kísérletének a Thomson-modell alapján várt (bal) és valódi eredményei (jobb).
A mazsolás puding-modell alapján nem volt semmi, ami elég sűrű vagy elég nehéz lett volna az aranyatomokban ahhoz, hogy eltérítse az alpha-részecskéket a pályájukról (lásd a bal oldali képen). Azonban Rutherford megfigyelései nem estek egybe a várakozásaival (lásd a jobb oldali képen) – új atommodellre volt szükség!

A Rutherford-féle atommodell

Kísérleti eredményei alapján Rutherford az alábbi következtetéseket vonta le:
  • A pozitív töltés az atom egy apró térfogatában kell, hogy koncentrálódjon, ami az atom tömegének nagy részét is tartalmazza. Ez megmagyarázta az alpha-részecskék kis részének jelentős szóródását, mely feltehetően az aranyatommagokkal való ritka ütközésekre vezethető vissza.
  • Mivel a legtöbb alpha-részecske akadálytalanul áthaladt az aranyfólián, az atomok jelentős része minden bizonnyal üres tér.
A képen a piros elektronok a kis fekete gömbbel jelölt atommag körül keringenek.
A Rutherford-féle atommodell. A Rutherford-féle atom képe, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.
Ez vezetett Rutherford atommag-modelljéhez, mely szerint az atomban a negatív töltésű elektronok egy apró, pozitív töltésű atommagot vesznek körül. Az eltérített alpha-részecskék számából Rutherford kiszámolta, hogy az atommag az atom térfogatának csak elenyésző részét foglalja el.
A modell megmagyarázta Rutherford kísérleti eredményeit, azonban számos további kérdést is felvetett. Például mit csinálnak az elektronok az atomban? Mi akadályozza meg, hogy az elektronok belezuhanjanak az atommagba, hiszen az ellentétes töltések vonzzák egymást? Szerencsére a tudomány készen állt a kihívásra! Olyan fizikusok, mint Niels Bohr, új kísérletek kidolgozásával vizsgálták tovább Ruherford atommodelljét, mely idővel a modern kvantummechanikai modellé fejlődött.

Összefoglalás

  • J.J. Thomson katódsugárcsővel végzett kísérletei azt mutatták, hogy minden atom tartalmaz apró, negatív töltésű részecskéket, elektronokat.
  • Thomson mazsolás puding atommodellje szerint a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű „levessel” vannak körülvéve.
  • Rutherford aranyfólia kísérlete azt mutatta, hogy az atom nagy része üres tér, melyben egy apró, sűrű, pozitív töltésű atommag van.
  • Ezekre az eredményekre alapozva dolgozta ki Rutherford az atomok Naprendszer-modelljét.