FENOMENELE CARE SE MANIFESTĂ STRUCTURA COMPUSĂ A ATOMULUI

19:18 0 Comments

Din cursul gimnazial de fizică cunoaşteţi că la trecerea razei de lumină monocromatică prin prisma triunghiulară transparentă, aflată în aer, raza se îndreaptă spre bază. Dacă însă pe prismă cade lumină albă, se produce dispersia luminii - lumina se descompune în raze colorate, corespunzătoare diferitor lungimi de undă. Pe ecranul pe care ele cad se obţine un tablou colorat, numit spectru.
Deci prisma triunghiulară permite analizarea radiaţiilor luminoase, determinarea lungimilor de undă prin descompunerea radiaţiei incidente în spectru.
I Aparatul destinat observării vizuale a spectrelor este numit spe£trosc@p.
Schema optică de principiu a acestuia este prezentată în figura 6.1. Radiaţia emisă de sursa de lumină S pătrunde în colimatorul C, prin fanta îngustă F, aflată în planul focal al lentilei convergente L,. Ca rezultat, colimatorul formează un fascicul de raze paralele ce cade pe prisma P. în urma refracţiei şi dispersiei prin prismă se propagă o totalitate de fascicule de raze paralele. Ele cad pe lentila L, a camerei C, şi după refracţia în lentilă razele paralele se intersectează în planul focal al acesteia. Fasciculele ce corespund diferitor lungimi de undă (culori) după trecerea prin prismă se propagă în direcţii diferite, din care cauză se intersectează în punctele respective ale planului focal al lentilei L2. Aici se şi obţine spectrul ce caracterizează radiaţia emisă de sursa S.
în figura 6.1 sînt reprezentate razele şi spectrul obţinut în cazul a trei culori: roşu, verde şi albastru.
Isaac Newton a orientat un fascicul de lumină solară asupra prismei şi a observat pentru prima dată descompunerea lui în spectru continuu (fig. 6.2, a), descoperind, astfel, dispersia luminii.
Spectrele radiaţiilor emise de diferite corpuri au fost studiate detaliat în secolul XIX. Savanţii germani - fizicianul Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) şi chimistul Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) - au studiat amănunţit spectrele emise de unele substanţe introduse în flacăra spirtierei. La temperaturile respective substanţele cercetate se aflau în stare gazoasă, erau descompuse în atomi excitaţi în urma ciocnirilor dintre ei la viteze mari. Ca rezultat s-a constatat că spectrele radiaţiei emise de aceşti atomi sînt discontinui. Ele prezintă un şir de linii colorate ce corespund anumitor valori ale lungimilor de undă.
Spectrele emise de atomii excitaţi sînt numite spectre de linii.
în figura 6.2 sînt reprezentate spectrele respective pentru sodiu (fi), hidrogen (d) şi heliu (fi).
Kirchhoff şi Bunsen au stabilit în 1859 că fiecărui tip de atomi îi corespunde un anumit spectru. După tabloul spectrului pot fi identificaţi atomii care l-au
Fig. 6.1
emis. Acest fapt stă la baza analizei spectrale. Dacă în spectrul obţinut se înregistrează linii spectrale ce nu aparţin atomilor cunoscuţi, substanţa respectivă conţine atomi ai unor elemente chimice necunoscute. Pe această cale, în 1868, în spectrul Soarelui a fost descoperit heliul (în 1. greacă helios „soare”), care în 1895 a fost identificat în condiţii terestre.
I Spectrele emise de gazele moleculare reprezintă sisteme de linii spectrale grupate în benzi separate una de alta şi sînt numite spectre de bandă (fig. 6.2, /).
Spectrele descrise mai sus - continui, de linii şi de benzi - se obţin în urma descompunerii radiaţiei emise de corpurile respective la propagarea ei prin prismă şi se numesc spectre de emisie.
Dacă radiaţia luminoasă emisă de un corp incandescent se propagă, înainte de a cădea pe prismă, printr-un gaz rece care nu emite lumină, atunci pe fondul spectrului continuu, observat în lipsa acestui gaz, apar linii întunecate {fig. 6.2, spectrele c, e, g, h).
I Totalitatea liniilor întunecate pe fondul spectrului continuu constituie spectrul de absorbţie.
Apariţia liniilor negre se explică prin absorbţia radiaţiilor cu anumite lungimi de undă de către
a)
b)
0
d)
e)
f)
g)
h)
i)
atomii gazului traversat de radiaţia corpului incandescent. Kirchhoff a stabilit (1860) că gazele absorb radiaţii avînd lungimi de undă egale cu cele ale radiaţiei pe care o emit. La suprapunerea spectrului de absorbţie pe cel de emisie a aceluiaşi gaz se obţine, evident, un spectru continuu. Rezultatul obţinut de Kirchhoff este cunoscut ca legea inversiei spectrului sau legea lui Kirchhoff.
De menţionat că linii întunecate pe fondul spectrului continuu au fost observate pentru prima dată în 1802 de către fizicianul englez William Hyde Wollaston (1766-1828). în anii 1814-1815, fizicianul german Joseph von Fraunhofer (1787-1826) a studiat liniile întunecate din spectrul Soarelui {fig. 6.2, h). Ulterior liniile întunecate din spectre au fost numite linii Fraunhofer.
Spectrele de linii sînt proprii substanţelor în stare gazoasă, adică substanţelor descompuse în atomi. Caracterul acestora, poziţia liniilor spectrale pot fi explicate doar în baza structurii interioare a atomilor.
în anii 1858-1859, investigînd descărcarea electrică în gaze rarefiate, fizicianul german Julius Plucker (1801-1868) a descoperit existenţa unei radiaţii emise de catod ce se propagă normal de la suprafaţa lui. în anul 1876, fizicianul german Eugen Goldstein (1850— 1930) a numit aceste radiaţii raze catodice, iar în anul 1895 fizicianul francez Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) a stabilit că razele catodice sînt un flux de particule încărcate cu sarcină electrică negativă. Doi ani mai tîrziu, în 1897, fizicianul englez Joseph John Thomson (1856-1940) a studiat mişcarea particulelor catodice în cîmpuri electrice şi magnetice şi a determinat sarcina specifică a lor, adică raportul sarcinii electrice q către masa lor m. Acest raport era de mii de ori mai mare decît respectivele rapoarte pentru ioni. Considerînd sarcina electrică a particulei catodice egală în modul cu sarcina electrică elementară, \q\ = e, conchidem că masa ei este mult mai mică decît masa atomului de hidrogen care este cel mai uşor atom. Particula descoperită a fost numită electron, denumire propusă în 1890 de către Stoney pentru sarcina electrică elementară. Astfel, a fost descoperit electronul - primul din lanţul particulelor elementare descoperite ulterior.
Electronul este o particulă din componenţa substanţei, aceasta fiind formată din atomi cu mase mult mai mari decît a electronului. S-a concluzionat că electronii fac parte din structura atomilor, în baza căreia ar putea fi explicate spectrele de linii.
92
Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Ce fenomen optic se află la baza principiului de funcţionare a spectroscopului?
2. Care este caracterul spectrelor emise de atomi? Dar al celor emise de molecule?
3. Cum se explică prezenţa liniilorîntunecateîn spectrele de absorbţie?
6.2. EXPERIMENTUL LUI
RUTHERFORD. MODELUL PLANETAR AL ATOMULUI
După descoperirea electronului ca particulă de masă mult mai mică decît cea a atomului, fizicianul J.J. Thomson a admis că electronii intră în componenţa atomului şi a propus (în 1903) un model al acestuia. Electronul are sarcină electrică negativă, iar atomul este neutru. De aceea a considerat că atomul este o sferă avînd distribuită uniform în interiorul ei masa atomului, precum şi sarcina electrică pozitivă. în interiorul sferei se mai află un număr de electroni, consideraţi punctiformi, astfel încît atomul este neutru. Acest model, numit modelul lui Thomson, este cunoscut în istoria fizicii şi sub numele depuding (sau chiflă) cu stafide. încercările de a explica spectrele de linii pornind de la modelul lui Thomson nu s-au încununat de succes.
Avînd în vedere cele menţionate, Rutherford a decis să verifice distribuţia sarcinilor electrice în atom pentru a confirma sau infirma modelul lui Thomson, în acest scop şi-a propus să bombardeze foiţe subţiri de metal cu particule a emise de substanţe radioactive (radioactivitatea se va studia detaliat în capitolul 7). Aici vom indica doar parametrii ce caracterizează aceste particule: masa lor este de circa 7 300 de ori mai mare decît cea a electronului (ma » 7 300 me), iar sarcina electrică a lor este pozitivă şi egală cu două sarcini electrice elementare (qa = +2e). în experienţă au fost folosite particule a cu energii cinetice mari, deci cu viteze mari.
Schema instalaţiei lui Rutherford este reprezentată în figura 6.3. O sursă radioactivă 1 se află în interiorul unei incinte de plumb 2 avînd un canal îngust 3. Prin acesta ieşea un fascicul fin de particule a. Fasciculul cădea pe o foiţă de aur 4, foarte subţire (circa 0,4 pm). Particulele împrăştiate de foiţă cădeau
4. Ce este comun pentru spectrul de emisie şi pentru cel de absorbţie al unuia şi aceluiaşi element chimic?
5. Ce concluzie, care se referă la atomi, rezultă din faptul existenţei electronului?