31. Планетарная модель атома Резерфорда и ее особенности

В 1909–1911 годах английский физик Э. Резерфорд и его сотрудники Х. Гейгер и Э. Марсден исследовали структуру атома с помощью быстрых положительно заряженных частиц. В качестве таких частиц были использованы так называемые aльфа-частицы, возникающие при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов.

Заряд aльфа-частиц равен двум элементарным, а масса - примерно 4 а.е.м. Установка, использованная Резерфордом в этих опытах (рис. 33б), состояла из свинцового контейнера 1, содержащего крупицу радия, из которого вдоль узкого канала вылетал пучок a-частиц 2, падающий на лист тонкой металлической фольги 3. За фольгой был помещен полупрозрачный цилиндрический экран 4, покрытый кристаллами сульфида цинка, свечение которых под ударами a-частиц наблюдали с помощью микроскопа 5.

В опытах Резерфорда a-частицы сталкиваются с атомами фольги, и при каждом таком столкновении a-частица, пролетая через электрическое поле атома, изменяет направление движения (испытывает рассеяние). Электроны, имеющие гораздо меньшую массу, чем a-частица, не могут изменять направление движения a-частиц. Поэтому, изучая рассеяние a-частиц можно оценить размеры положительно заряженной части атома. Оказалось, что бóльшая часть a-частиц, несущихся со скоростью около 1/15 скорости света, проходит через тонкую фольгу почти не рассеиваясь, что соответствовало модели атома Томсона, в которой положительный заряд был равномерно распределён по объёму всего атома (рис. 33а). Однако очень малая доля a-частиц отклонялась на углы более 90°(см. рис. 33б), что было невозможно объяснить, пользуясь моделью Томсона, т.к. электрическое поле однородно заряженного шара недостаточно велико на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара.

Чтобы объяснить, почему некоторые a-частицы могут быть отброшены назад атомом, Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, в которой весь положительный заряд атома и почти вся его масса сконцентрированы в теле очень малых размеров атомном ядре. Такую модель атома называют ядерной. Согласно оценкам Резерфорда диаметр атомных ядер должен составлять 10-14 – 10-15 м. Таким образом, размеры атома в 104-105 раз превышают размеры его ядра, а максимальная напряжённость электрического поля в ядерной модели атома превышает его напряжённость в модели Томсона в 108-1010 раз, что и делает возможным рассеяние быстрых a-частиц на большие углы.

Основываясь основе ядерной модели атома, Резерфорд предположил, что атом устроен подобно солнечной системе – вокруг ядра, как вокруг Солнца, обращаются электроны, как планеты (рис. 33в). При этом в нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов должен компенсировать положительный заряд ядра. Такая модель строения атома была названа планетарной. В планетарной модели электроны должны обращаться вокруг ядра, чтобы не упасть на него под действием кулоновских сил притяжения.

Квантовые постулаты Бора

Планетарная модель атома является внутренне противоречивой. Движущийся с ускорением заряд излучает электромагнитную волну. При этом энергия атома уменьшается: электрон должен упасть на ядро, а атом прекратить свое существование.

На самом деле атомы химических элементов представляют собой устойчивые структуры, существующие десятки тысяч лет без изменения. Поэтому модель атома Резерфорда была дополнена рядом положений, автором которых является датский физик Бор.

В 1913 году Бор показал, что несовпадение с экспериментом выводов, основанных на модели Резерфорда, возникла потому, что поведение микрочастиц нельзя описывать теми же законами, что и макроскопических тел.

Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения.

Законы микромира - квантовые законы! Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих ( и "спасающих") атом Резерфорда.

Первый постулат:

Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е1, Е2...En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.

Второй постулат: правило частот: При переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается 1 фотон.

В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:

m·V·r = n·h/2·p

где m·V·r =L - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.

Третий постулат:

Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход: e = h·u = Em-En

32. Эволюция форм жизни от анаэробных к аэробным

Возраст самых ранних следов жизни (остатков бактерий) – около 3,5 млрд лет.

Докембрий. Самая древняя эпоха развития жизни – докембрийская – длилась свыше 3 млрд лет.

Первые обитатели нашей планеты были гетеро-трофами (используют для своего питания готовые органические вещества.) и питались за счет органических веществ. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов(организмы, способные вырабатывать потребное для них количество органических веществ самостоятельно из веществ минеральных) обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ. Но аутотрофный синтез органических веществ сопровождался выделением кислорода в атмосферу. Накопление последнего изменило восстановительный характер атмосферы на окислительный, что привело к массовой гибели анаэробов. Это явление называют первым глобальным экологическим кризисом. Именно в это время и появились первые аэробные организмы, (способные использовать кислород для дыхания) Присутствие свободного кислорода в атмосфере под воздействием грозовых разрядов привело к образованию озона, который и составил известный защитный экран, блокирующий коротковолновое излучение.

Важным этапом нужно считать появление первых многоклеточных существ. К концу докембрия земные моря населяли разнообразные животные: медузы, плоские черви, губки, полипы. Все они были мягкотелыми, лишенными скелета. Возникновение у животных скелета раковин, панцирей и так далее обозначило начало новой геологической эры.

Палеозойская эра, начавшаяся 570 млн лет назад, длилась 340 млн лет. Ученые делят ее на шесть периодов. Самый ранний из них – кембрий (он продолжался 70 млн лет). В этот период у самых разнообразных животных начинает развиваться скелет.

За кембрием следует ордовик (60 млн лет). В море процветают трилобиты. Появляются первые позвоночные.

В следующем периоде – силуре (30 млн лет) – на сушу выходят первые растения (псилофиты). Вслед за ними на сушу начинают переселяться животные – многоножки, черви, пауки и скорпионы.

У позвоночных появляется новый, неизвестный прежде орган – челюсти, произошедшие из жаберных щелей бесчерепных, одновременно у рыб возникают парные плавники, увеличивающие маневренность.

Следующий период – девон (60 млн лет). Сушу заселяют плауны, папоротники, хвощи, мхи. В их зарослях уже живут первые насекомые. Происходит выход на сушу позвоночных. В девоне кистеперые рыбы дали начало первым земноводным – стегоцефалам.

Карбон, каменноугольный период (65 млн лет). Насекомые осваивают воздух. У растений появились семена вместо спор, у яиц рептилий – скорлупа.

Пермь (55 млн лет). Влажные леса из папоротников и плаунов исчезли. Широко разрослись хвойные. Земноводных теснят рептилии.

Мезозойская эра началась 230 млн лет назад и длилась 163 млн лет. Она делится на 3 периода: триас (35 млн лет), юру (58 млн лет) и мел (70 млн лет). Океаны Земли богаты моллюсками. Появляются цветковые. Мезозой, особенно юру, можно самом начале мезозоя появляются млекопитающие.

Кайнозойская эра. (67 млн лет назад). Она продолжается и сейчас. Ученые разделяют ее на 3 периода: палеоген, неоген и антропоген.