Aatomimudeli areng (keeksi mudel, Rutherfordi katse) (1)

1. Aatomimudeli areng (keeksi mudel, Rutherfordi katse)
AATOMIFÜÜSIKA areng - Thompsoni mudel ehk ''keeksi'' mudel. Selle järgi koosneks aine elektronide pilvest, mille sees on üksikud suure massiga + laengud. See meenutab nagu rosinatega keeksi.
Rutherfordi katse: pommitas kuldlehte alfaosakestega (alfaosake- heeliumi aatomi tuum, suure massiga kiirguse jaoks ning + laenguga). Tulemusena enamus alfaosakesi läbis kuldlehte ilma takistuseta. Osad kaldusid kõrvale ja üksikud nagu põrkusid tagasi. Järeldused:
1) aatom koosneb enamus tühjusest ehk vaakumist
2) aatomis peab olema + laeng koondunud väga väikesesse kuid raskesse ruumiossa ( aatomituum )
2. Planetaarne aatomi mudel (osakesed, asetus, laeng, mass, arvud + joonis)
Aatom koosneb tema keskel asuvast tuumast, mille ümber tiirlevad elektronid. Aatomtuum koosneb prootonist ja nerutronist (v.a vesinik ). Aatomituuma ja elektronide vahel on väga palju vaakumit.
Mass - aatomi põhimass on koondunud tuuma. Prootoni mass võetakse võrdseks 1 a.m.ü'ga. Neutroni mass võetakse võrdseks samuti 1 a.m.ü'ga. El.mass on nendega võrreldes väga väike ehk ligikaudu 0 a.m.ü'd.
Laeng - el.laeng on maailma väikseim laeng ja ta võetakse võrdseks -1'ga. Prootonil on samasuur aga + laeng ehk +1. Neutronil laeng puudub.
Arv - tavalises aatomis on prootneid ja el. samapalju ehk kogulaeng = 0. Neutroneid on ka samapalju või rohkem kui prootoneid (v.a vesinik)
Planetaarse aatomimudel probleemid: me teame, et ringjooneliselt liikuval kehal on kiirendus. Kiirendusega liikuv laeng aga kiirgab el.mag. laineid . Lainete kiirgamiseks on vaja energiat. Aatomi mudelis neg. laenguga el. liigub mööda ringjoont , seega ta peaks kiirgama el.mag.laineid, mille tulemusena tema En peab vähenema. See vähenemine peab toimuma kin. en. arvel ja el. v peab järjest vähenema. Selle tulemusena peaks ta spiraalselt langema aatomituumale, mida aga reaalselt ei juhtu.
3. Probleemid antud mudeliga
Borhi postulaadid - selle el. seotud probleemid lahendas Taani füüsik Niels Bohr. Tema postulaadid:
1. Aatom võib viibida ainult kindlatel energiatasemetel, millele vastab kindel energia En- sel juhul aatom ei kiirga.
2. Aatom kiirgab valgukvandi üleminekul suuremalt energiatasemelt En väiksema energia tasemega olekule Ek. Kiiratud footoni energia on leitav valemiga: hf=Ek-En
kui aatom neelab välist energiat, siis neelatakse samuti kvantide kaupa. Aatomi energiatase sõltub põhiliselt elektroni energiast. Sisuliselt elektronid pendeldavad energiatasemete ehk erinevatele kaugustele aatomituumast.
Mida lähemal on elektroni trajektoor tuumale, seda suurem on ta energia.
4. Joonspektrite tekkimine vesiniku järgi: Bohri teooriat arendas edasi Balmer , kes näitas näiteks vesiniku aatomi korral on kiiratav sagedus leitav valemitega f=(Ek-En)/h ning f=R((1/k ruut)-(1/n ruut)), kus k kuulub hulka kahest lõpmatusse.
Antud valem selgitab joonspektrite tekkimist. Näiteks vesiniku js koosneb kokku neljast joonest: punane, roheline ja 2 sinist. (vikerkaart meenutav joonis)
E2 üleminekul E3´le, tekib punane
E2-E4 roheline
E2-E5 sinine
E2-E6 sinine
5. Laserkiirte erilisus + kasutamine:
Looduslikult toimuvad "hüpped" erinevate energiatasemete vahel n tasemest minimaalse tasemeni. Tehniliselt on aga võimalik tekitada vahepealseid "hüppeid" näiteks E4-E3-E1, ka sellisel juhul kiiratakse valguskvant , mis ongi laserkiirgus.
Erilisus:
kiirgus on väga kindla sagedusega ja monopramaatiline (kõik lained on samas faasis), mis muudab selle füüsikalisteks katseteks ideaalseks.
Teda on võimalik koondada väga väiksesse kiirtekimpu (mul vend koondas laboris näiteks laserkiire 9 mikroni suuruseks - pane see kindlasti spikrisse sisse)
Laserkiir hajub võrreldes tavalise valgusega väga vähe
on võimalik tekitada väga võimsaid laserkiirguseid.
Kasutamine: cd dekk, kauguste mõõtmine, lood, relvade sihikud, keevitus, meditsiin
6. Aine osakeste registreerimise ja vaatlemis meetodid:
1. Geiger Müller´i loendur ehk dosimeeter (teadupärast gaasi elektrijuhtivust mõjutab radioaktiivne kiirgus, ehk gaasi lennanud osakesed tekitavad el voolu) Sel juhul ei ole võimalik näha osakesi, vaid hinnata osakeste arvu
2. Wilsoni kamber - (kui osake lendab üleküllastunud auru sisse ( relatiivne õhuniiskus 100%), siis tekib tema liikumisteele vedeliku piisakestest tee, mida saab pildistada) Me ei näe osakest, aga näeme tema liikumisteed
3. Mullikamber - (pm sama mis eelimine, aga auru asemel kasutatakse ülekuumutatud vedelikku, mis kohe hakkaks keema )
4. Emulsioonimeetod - (kuna fotomaterjal on tundilk rad. kiirgusele, siis kasutatakse paksu fotoemulsioonikihti, kuhu osakeste lendamisel tekib jälg) TT näide "nõelatorge paksu võikihiga võileivas")
7. Looduslik radioaktiivsus:
Becquerel avastas, et uraan kiirgab pidevalt mingit erilist kiirgust, mis mõjus fotopaberile ning ioniseeris õhku.
Osutub, et looduslikult kiirgavad kõik Mendelejevi tabeli elemendid, mille jk on suurem kui 83
8. Alfa-, Beeta-, Gammakiirgus
Alfa: pos laenguga, suure massiga heeliumi aatomituumad . Liiguvad valguse kiiruse lähedal, läbitungimisvõime suht väike (paberit ei läbi) õhus neeldub väga kiiresti
inimesele väga ohtlik, põhjustab nahavähki
Beeta: neg laenguga, väikese massiga valgusekiiruse lähedal liikuvad elektronid. Läbitungimisvõime suurem (mõne mm plekki ei läbi)
inimesele ohtlik kuna tekitab rakumutatsioone
Gamma: elmaglainetus, mis järgneb lainepikkuselt röntgenkiirgusele. Väga suure läbitungimisvõimega (1m paksune betooni kiht)
inimesele kõige ohtlikum kuna läbib tervet keha ja tekitab rakumutatsioone.
9. Radioaktiivsed muundamised
Radioaktiivse kiirguse avastamisel leiti, et kiirgus on pidev (tegelikult tema võimsus väheneb aja jooksul). Lisaks avastati, et sellised ained eraldavad ka veidikene soojust. Seda ei osatud algul seletada energia jäävuse seaduse põhjal. Hilisemad katsed näitasid, et selline energia eraldumine saab toimuda seetõttu, et aatomid ise muunduvad (tegelikult muunduvad aatomi tuumad )
Radioaktiivne muundumine tähendab, et ühest keemiliseset elemendist saadakse teine.
Poolestusaeg - hilisemad täpsemad uuringud näitasid, et kiirgus, soojuse eraldumine ja radioaktiivsete aatomite arv on teatud seaduspärasusega. Rad. ainete jaoks on olemas üks ajavahemik , mille jooksul pooled rad. aine aatomid muunduvad ehk lagunevad (samamoodi väheneb ka kiirgav soojus poole võrra). See on statistiline seaduspärasus, sest on võimatu ette teada, millal mingi aatom poolestub (e laguneb).
Piltlikult öeldes rad. aatomid ei vanane . Osutub, et poolestusajad on väga erinevad. On väga pika ajaga (nt uraan). On elemente, mille poolestusaeg on aastates. On aineid, mille p.a on mõõdetav päevades, tundides v minutites, kuid on ka aineid, mille p.a jääb mikrosekunditesse. Kehtib põhimõte: mida lühem on p.a, seda suurem on elemendi järjekorranr ning seda intensiivsem, ohtlikum on tema rad. kiirgus. Sellega on seletatav Mendeljejevi tabeli lõpuelementide raske avastamine.
10. Poolestusaeg:
Kindel ajavahemik, mille jooksul pooled rad aine aatomid muunduvad (lagunevad) samamoodi väheneb ka kiirgus ja soojusemissioon.
Poolestusaeg on statistiline seaduspärasus, kuna ei ole võimalik määratleda ajahetke millal aatom muundub.
Ajaliselt on poolestusaja kestvused erinevatel ainetel väga erinevad. (Mikrosekunditest miljardite aastateni) Näiteks Uraani poolestusaeg on kõigest 4,5 miljardit aastat.
Kehtib põhimõte: mida lühem on poolestusaeg, seda suurem on elemendi järjekorranumber ning seda intensiivsem ja ohtlikum on tema poolt emiteerunud rad kiirgus
11. Isotoop :
X elemendi lisa, mis erineb põhielemendist neutronite arvu poolest.
Tuntumad isotoobid : (esimene number on ülaindeks, teine alaindeks)
H1 2 - deuteerium . (Tema ühend hapnikuga on raske vesi)
H1 3 - triitium . (Beetaaktiivne aine, mille poolestusaeg on 12 aastat)
U92 235 - rikastatud uraan (aatompommi põhikomponent)
12. Nihkereegel:
Alfalagunemine - tuuma laeng väheneb kahe võrra, mass 4amü värra, ning element liigub tabelis kaks kohta ettepoole (valemites on esikohal ülaindeks, teisel alaindeks): Xz m > Yz-2 + He2 4
Beetalagunemine - Tuuma laeng suureneb kahe võrra, mass 4amü võrra ning element liigub ühe võrra tahapoole: Xz m > Yz+1 m + e-1 0
Gammalagunemine - sellist asja ei ole olemas, aga energia siiski eraldub teatud määral tuuma massi arvelt