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Structure atomique



Histoire de la découverte

Depuis que le chimiste et physicien britannique Dalton (J.John Dalton, 1766~1844) a fondé la théorie atomique, les gens ont longtemps cru que les atomes étaient trop petits, et qu'il n'y a plus d'astuces à l'intérieur.

Depuis la découverte des rayons cathodiques par le scientifique allemand Hitoff en 1869, un grand nombre de scientifiques tels que Crooks, Hertz, Lerner, Thomson, etc. étudient les rayons cathodiques depuis plus de 20 ans. Enfin, Thomson (Joseph John Thomson) a découvert l'existence des électrons. Normalement, les atomes ne sont pas chargés. Étant donné que des électrons chargés négativement qui sont 1700 fois plus petits que sa masse peuvent s'échapper de l'atome, cela montre qu'il y a toujours une structure à l'intérieur de l'atome, et cela montre également qu'il y a encore des choses chargées positivement dans l'atome. Ils devraient neutraliser la charge négative portée par les électrons pour rendre l'atome neutre.

introduction

Quelles sont les autres choses dans un atome en plus des électrons, comment les électrons restent-ils dans l'atome, qu'est-ce qui est chargé positivement dans l'atome, comment la charge positive est-elle distribuée, avec beaucoup de nouvelles questions telles que comment les électrons chargés négativement et les choses chargées positivement interagissent sont avant les physiciens. Sur la base de la pratique scientifique et des observations expérimentales de l'époque, les physiciens ont utilisé leur riche imagination et proposé divers modèles atomiques.

En 1901, le physicien français Perrin (Jean Baptiste Perrin, 1870-1942) proposa un modèle structurel. On croyait que le centre de l'atome était constitué de particules chargées positivement et que la périphérie était constituée d'électrons en rotation. La période de rotation correspond à la fréquence de la raie spectrale émise par l'atome, et les électrons les plus externes sont éjectés pour émettre des rayons cathodiques.

Modèle atomique

Modèle d'atome neutre

En 1902, le physicien allemand Philipp Edward Anton Lenard (1862-1947) a proposé un sous-modèle de puissance des particules neutres. Les premières observations de Lenard ont montré que les rayons cathodiques peuvent traverser la fenêtre en aluminium à l'intérieur du tube à vide vers l'extérieur du tube. Sur la base de cette observation, son expérience d'absorption en 1903 a prouvé que les rayons cathodiques à grande vitesse peuvent traverser des milliers d'atomes. Selon la vision semi-matérialiste qui prévalait à l'époque, la majeure partie du volume d'un atome est constituée d'espace vide, tandis que la matière rigide ne représente qu'environ 10-9 (c'est-à-dire cent millièmes) de sa totalité. Lenard a imaginé que la "matière rigide" est un composé de plusieurs électricités positives et négatives dispersées dans l'espace intérieur des atomes.

Balle chargée solide

Le célèbre physicien et inventeur britannique Kelvin (Lord Kelvin, 1824~1907) s'appelait à l'origine W. Thomson (William Thomson), en raison de l'installation du premier câble sous-marin de l'Atlantique. Le gouvernement britannique l'a fait chevalier en 1866 et a été promu Lord Kelvin en 1892, commençant à utiliser le nom Kelvin. Kelvin a un large éventail de recherches et a apporté des contributions dans les domaines de la chaleur, de l'électromagnétisme, de la mécanique des fluides, de l'optique, de la géophysique, des mathématiques et des applications d'ingénierie. Il a publié plus de 600 articles au cours de sa vie et obtenu 70 brevets d'invention. Il jouissait d'une grande réputation dans la communauté scientifique à cette époque. Kelvin a proposé le modèle d'atome de sphère chargée solide en 1902, qui considérait les atomes comme des sphères uniformément chargées positivement avec des électrons chargés négativement enfouis en eux, et ils étaient en équilibre électrostatique dans des conditions normales. Ce modèle a ensuite été développé par JJ Thomson et a été plus tard connu sous le nom de modèle atomique de Thomson.

Modèle de gâteau aux dattes

Modèle de gâteau aux raisins (modèle de gâteau aux dattes)

Thomson (Joseph John Thomson, 1856-1940) continue de mener des recherches plus systématiques , Essayez de décrire la structure atomique. Thomson pensait que l'atome contient une sphère électrique positive uniforme et que plusieurs électrons négatifs circulent dans cette sphère. D'après les recherches d'Alfred Mayer sur l'équilibre des aimants flottants, il a prouvé que si le nombre d'électrons ne dépasse pas une certaine limite, un anneau formé par ces électrons en mouvement doit être stable. Si le nombre d'électrons dépasse cette limite, ils seront répertoriés en deux anneaux, et ainsi de suite jusqu'à autant d'anneaux. De cette façon, l'augmentation des électrons a causé la similitude de la périodicité dans la structure, et la reproduction répétée des propriétés physiques et chimiques dans le tableau périodique de Mendeleev peut également être expliquée.

Ce modèle proposé par Thomson, les électrons sont répartis dans une sphère, comme des raisins secs parsemés dans un gâteau. Beaucoup de gens appellent le modèle atomique de Thomson « modèle de gâteau aux raisins ». Il peut non seulement expliquer pourquoi les atomes sont électriquement neutres et comment les électrons sont répartis dans les atomes, mais aussi expliquer le phénomène des rayons cathodiques et le phénomène selon lequel les métaux peuvent émettre des électrons sous rayonnement ultraviolet. Et selon ce modèle, la taille de l'atome peut être estimée à environ 10^-8 cm. C'est une chose incroyable. Parce que le modèle de Thomson peut expliquer de nombreux faits expérimentaux à cette époque, il est facilement accepté par de nombreux physiciens.

Le modèle Saturne

Le physicien japonais Nagaoka Hantaro (1865-1950) a présenté une présentation orale à la Tokyo Mathematical and Physics Society le 5 décembre 1903, et séparément en 1904 L'article "Explaining the movement of electrons in atomes in linear and band spectres and radio phenomenes" a été publié dans des magazines japonais, anglais et allemands. Il a critiqué le modèle de Thomson, pensant que l'électricité positive et négative ne peuvent pas se pénétrer, et a proposé une structure qu'il a appelée le « modèle de Saturne », c'est-à-dire un modèle atomique avec un anneau d'électrons tournant autour d'un noyau chargé positivement. Une boule chargée positivement de grande masse a un cercle d'électrons également espacés se déplaçant dans un cercle à la même vitesse angulaire. Le spectre de la raie d'émission de vibration radiale des électrons, la vibration perpendiculaire à la surface de l'anneau, le spectre de la bande d'émission, les électrons sur l'anneau s'envolent sous forme de rayons bêta et les particules chargées positivement dans la sphère centrale s'envolent sous forme de rayons alpha. Ce modèle de Saturne a eu une grande influence sur son établissement ultérieur d'un modèle nucléaire de l'atome. En 1905, il a analysé les résultats d'expériences telles que la mesure du rapport charge-masse des particules alpha, et il a découvert que les particules alpha sont des ions d'hélium. En 1908, le scientifique suisse Leeds a proposé un modèle d'atome magnétique.

Leur modèle peut expliquer certains faits expérimentaux à l'époque dans une certaine mesure, mais il ne peut pas expliquer de nombreux nouveaux résultats expérimentaux qui apparaîtront dans le futur, il n'a donc pas été développé davantage. Quelques années plus tard, le « modèle de gâteau aux raisins » de Thomson a été renversé par son élève Rutherford.

Modèle du système solaire

Le physicien britannique Ernest Rutherford (1871-1937) est venu au Laboratoire Cavendish en Angleterre en 1895 pour suivre l'étude Thomson et devenir le premier étudiant diplômé de Thomson à l'étranger. Rutherford était studieux et diligent. Sous la direction de Thomson, Rutherford a découvert les rayons alpha lors de sa première expérience, l'expérience d'absorption radioactive.

Rutherford a conçu une expérience ingénieuse. Il a mis des éléments radioactifs tels que l'uranium et le radium dans un conteneur de plomb, ne laissant qu'un petit trou dans le conteneur de plomb. Parce que le plomb peut bloquer le rayonnement, seule une petite partie du rayonnement est émise par le petit trou, formant un faisceau de rayonnement très étroit. Rutherford a placé un aimant puissant près du faisceau de rayonnement et a découvert qu'il existe un type de rayonnement qui n'est pas affecté par l'aimant et continue de se déplacer en ligne droite. Le deuxième type de rayon est dévié d'un côté par l'influence de l'aimant, mais n'est pas trop dévié. Le troisième type de rayon dévie sévèrement.

Rutherford place des matériaux de différentes épaisseurs dans la direction avant du rayonnement pour observer comment le rayonnement est absorbé. Le premier type de rayonnement n'est pas affecté par le champ magnétique, ce qui indique qu'il n'est pas chargé et a un fort pouvoir de pénétration. Les matériaux courants tels que le papier et les copeaux de bois ne peuvent pas bloquer la progression du rayonnement, et seul le plomb plus épais peut le bloquer complètement, ce qu'on appelle les rayons gamma. Le deuxième type de rayon sera affecté par le champ magnétique et déviera d'un côté. On peut juger à partir de la direction du champ magnétique que ce rayon est chargé positivement. Le pouvoir de pénétration de ce rayon est très faible, et il peut être complètement bloqué par un morceau de papier. C'est le rayon alpha découvert par Rutherford. Le troisième type de rayon est déterminé par la direction de déviation pour être chargé négativement et a les mêmes propriétés que les électrons en mouvement rapide, appelés rayons bêta. Rutherford était particulièrement intéressé par les rayons alpha qu'il avait découverts. Après des recherches intensives, il a souligné que les rayons alpha sont un flux de particules chargées positivement. Ces particules sont des ions d'atomes d'hélium, c'est-à-dire des atomes d'hélium avec deux électrons de moins.

Le "tube de comptage" a été inventé par Hans Geiger (1882-1945), un étudiant allemand, et peut être utilisé pour mesurer des particules chargées invisibles à l'œil nu. Lorsque les particules chargées traversent le tube compteur, le tube compteur envoie un signal électrique. Connectez ce signal électrique à l'alarme, l'instrument émet un "clic" et le voyant s'allume également. Les rayons invisibles peuvent être enregistrés et mesurés avec un instrument très simple. Les gens appellent cet instrument un compteur Geiger. A l'aide de compteurs Geiger, le laboratoire de Manchester dirigé par Rutherford a fait des progrès rapides dans les recherches sur les propriétés des particules alpha.

En 1910, Marsden (E. Marsden, 1889-1970) est venu à l'Université de Manchester. Rutherford lui a demandé de bombarder la feuille d'or avec des particules alpha, de faire des expériences pratiques et d'utiliser l'écran fluorescent pour enregistrer ceux qui ont traversé la feuille d'or. Particules alpha. Selon le modèle de gâteau aux raisins de Thomson, de minuscules électrons sont distribués dans une matière uniformément chargée positivement, et les particules alpha sont des atomes d'hélium qui ont perdu deux électrons, et leur masse est des milliers de fois plus grande que les électrons. Lorsqu'un obus d'artillerie aussi lourd bombarde des atomes, les minuscules électrons ne peuvent pas le supporter. La matière positive des atomes d'or est uniformément répartie dans tout le volume atomique et il est impossible de résister au bombardement de particules alpha. En d'autres termes, les particules alpha traverseront facilement la feuille d'or, même si elle est un peu bloquée, cela ne changera que légèrement la direction des particules alpha après avoir traversé la feuille d'or. Rutherford et Geiger ont fait ce type d'expérience à plusieurs reprises, et leurs observations sont en bon accord avec le modèle de gâteau aux raisins de Thomson. La particule alpha change légèrement de direction sous l'influence des atomes d'or et son angle de diffusion est extrêmement petit.

Marsden et Geiger ont répété cette expérience qui avait été faite plusieurs fois, et un miracle est apparu ! Ils ont non seulement observé les particules alpha dispersées, mais aussi les particules alpha réfléchies par la feuille d'or. Rutherford a décrit la situation dans un discours dans ses dernières années. Il a déclaré: "Je me souviens que deux ou trois jours plus tard, Geiger est venu me voir très excité et m'a dit:" Nous avons des particules alpha réfléchies... .... ", c'est l'événement le plus incroyable de ma vie. C'est aussi incroyable comme lorsque vous tirez un boulet de canon de 15 pouces sur le papier à cigarette, mais que vous êtes touché par le boulet de canon réfléchi. Après réflexion, je sais que ce genre de rétrodiffusion ne peut être que le résultat d'une seule collision. Après calculs, j'ai vu que si la majeure partie de la masse atomique est concentrée dans un petit noyau, il est impossible d'obtenir cet ordre de grandeur."< /p>

Ce que Rutherford a dit "après réflexion" n'est pas de penser à un ou deux jours, mais de penser à une année entière ou deux. Après avoir fait beaucoup d'expériences et de calculs théoriques et un examen attentif, il a hardiment proposé un modèle d'atome nucléaire, renversant le modèle d'atome de sphère chargée solide de son professeur Thomson.

Rutherford a vérifié que les particules alpha réfléchies dans l'expérience de son étudiant étaient bien des particules alpha, puis a soigneusement mesuré le nombre total de particules alpha réfléchies. Les mesures montrent que dans leurs conditions expérimentales, une particule alpha est réfléchie pour chaque incident de 8 000 particules alpha. L'utilisation du modèle de l'atome de sphère chargée solide de Thomson et de la théorie de la diffusion des particules chargées ne peut expliquer que la diffusion aux petits angles des particules alpha, mais ne peut pas expliquer la diffusion aux grands angles. La diffusion multiple peut obtenir une diffusion aux grands angles, mais les résultats des calculs montrent que la probabilité de diffusion multiple est extrêmement faible, ce qui est trop éloigné de l'observation selon laquelle l'une des 8 000 particules alpha est réfléchie.

Le modèle atomique de Thomson ne peut pas expliquer la diffusion des particules alpha. Après un calcul et une comparaison minutieux, Rutherford a découvert que ce n'est que si les charges positives sont concentrées dans une petite zone, lorsque les particules alpha traversent un seul atome, qu'il est possible qu'une diffusion aux grands angles se produise. En d'autres termes, la charge positive de l'atome doit être concentrée dans un petit noyau au centre de l'atome. Sur la base de cette hypothèse, Rutherford a ensuite calculé certaines lois de la diffusion et a fait quelques inférences. Ces inférences ont été rapidement confirmées par une série de belles expériences de Geiger et Marsden.

Le modèle atomique proposé par Rutherford ressemble à un système solaire, avec des noyaux chargés positivement comme le soleil et des électrons chargés négativement comme des planètes en orbite autour du soleil. Dans ce « système solaire », la force qui gouverne entre eux est la force d'interaction électromagnétique. Il a expliqué que la matière chargée positivement dans l'atome est concentrée dans un petit noyau et que la majeure partie de la masse atomique est également concentrée dans ce petit noyau. Lorsque des particules alpha sont projetées directement sur le noyau atomique, elles peuvent rebondir. Ceci explique de manière satisfaisante la diffusion aux grands angles des particules alpha. Rutherford a publié un article célèbre "Scattering of and Particles by Matter and Its Principle Structure".

La théorie de Rutherford a ouvert une nouvelle façon d'étudier la structure de l'atome et a fait un exploit immortel pour le développement de la science atomique. Cependant, pendant longtemps à cette époque, la théorie de Rutherford a été froidement traitée par les physiciens. La faiblesse fatale du modèle atomique de Rutherford est que la force du champ électrique entre les charges positives et négatives ne peut pas répondre aux exigences de stabilité, c'est-à-dire qu'elle ne peut pas expliquer comment les électrons restent stables à l'extérieur du noyau. Le modèle Saturn proposé par Nagaoka Hantaro en 1904 a échoué car il ne pouvait surmonter la difficulté de stabilité. Par conséquent, lorsque Rutherford a proposé un modèle d'atome nucléaire, de nombreux scientifiques l'ont considéré comme une conjecture, ou l'un des divers modèles, et ont ignoré la base solide sur laquelle Rutherford a proposé le modèle. Base expérimentale.

Rutherford a une perspicacité extraordinaire, il peut donc souvent saisir l'essence et faire des prédictions scientifiques. En même temps, il a une attitude scientifique très rigoureuse. Il part de faits expérimentaux et tire les conclusions qui doivent être tirées. Rutherford pense que le modèle qu'il a proposé est encore très imparfait et nécessite davantage de recherche et de développement. Il a déclaré au début de l'article : « À ce stade, il n'est pas nécessaire de considérer la stabilité de l'atome mentionné, car cela dépendra évidemment de la structure fine de l'atome et du mouvement des composants chargés. Il a également écrit à ses amis cette année-là. Il a déclaré : « J'espère avoir un aperçu plus clair de la structure atomique d'ici un ou deux ans. »

Modèle Bohr

La théorie de Rutherford a attiré une personne du Danemark Un jeune homme nommé Niels Henrik David Bohr (Niels Henrik David Bohr, 1885-1962), basé sur le modèle de Rutherford, il a proposé l'orbite quantifiée des électrons en dehors du noyau , a résolu le problème de la stabilité de la structure atomique, et décrit une théorie complète et convaincante de la structure atomique.

Bohr est né dans une famille de professeur à Copenhague et a obtenu son doctorat de l'Université de Copenhague en 1911. De mars à juillet 1912, il a étudié dans le laboratoire de Rutherford, au cours duquel il a donné naissance à sa théorie atomique. Bohr a d'abord étendu l'hypothèse quantique de Planck à l'énergie à l'intérieur de l'atome pour résoudre la difficulté de la stabilité du modèle atomique de Rutherford, en supposant que l'atome ne peut changer son énergie que par l'énergie quantique discrète, c'est-à-dire que l'atome ne peut que dans le stationnaire discret et l'état stationnaire le plus bas est l'état normal de l'atome. Puis, inspiré par son ami Hansen, il atteint le concept de transition d'état stationnaire à partir de la loi de combinaison des raies spectrales. En juillet, septembre et novembre 1913, il publie les trois parties d'un long article "Sur la structure atomique et la structure moléculaire".

La théorie atomique de Bohr donne une telle image de l'atome : l'électron se déplace en cercle autour du noyau sur certaines orbites possibles spécifiques, et plus on s'éloigne du noyau, plus l'énergie est élevée ; Elle est déterminée par un multiple entier de h/2π ; lorsque les électrons se déplacent sur ces orbites possibles, les atomes n'émettent ou n'absorbent pas d'énergie, et seulement lorsque les électrons passent d'une orbite à une autre, les atomes émettent ou absorbent de l'énergie, et le rayonnement émis ou absorbé est monofréquence. La relation entre la fréquence et l'énergie du rayonnement est donnée par E=hν . La théorie de Bohr a expliqué avec succès la stabilité de l'atome et la loi du spectre des atomes d'hydrogène.

La théorie de Bohr a considérablement élargi l'influence de la théorie quantique et accéléré le développement de la théorie quantique. En 1915, le physicien allemand Arnold Sommerfeld (1868-1951) a étendu la théorie atomique de Bohr pour inclure les orbites elliptiques et a pris en compte l'effet de relativité restreinte selon lequel la masse d'un électron change avec sa vitesse, et a dérivé la finesse du spectre. La structure est conforme à l'expérience.

En 1916, Albert Einstein (1879-1955) est parti de la théorie atomique de Bohr et a utilisé des méthodes statistiques pour analyser le processus d'absorption et d'émission de rayonnement de la matière, et a dérivé la loi de Planck du rayonnement. Ce travail d'Einstein combine les réalisations de la première étape de la théorie quantique, combinant les travaux de Planck, Einstein et Bohr en un tout.

Modèle nucléaire

Parmi les étudiants de Rutherford, il y a plus d'une douzaine de lauréats du prix Nobel. Les plus célèbres sont Bohr, Chadwick, Cockcroft, Après la découverte du noyau atomique, Kapica, Hahn, etc., Rutherford a utilisé des rayons alpha pour bombarder le noyau d'azote en 1919, réalisant "l'alchimie" pour la première fois dans l'histoire humaine et le première réaction nucléaire. Dès lors, l'élément n'est pas une chose éternelle. Grâce à une série de réactions nucléaires, Rutherford a découvert que les protons, ou ions hydrogène, sont les composants de tous les noyaux atomiques et ont prédit les neutrons. Les neutrons ont été découverts plus tard par son élève Chadwick, et ont finalement établi que les protons et les neutrons sont un modèle de structure nucléaire de base. Après l'établissement du principe d'exclusion de Pauli, la loi périodique des éléments a également été expliquée. Rutherford est devenu le père de la physique nucléaire. Bien sûr, à l'époque où la Grande-Bretagne était vigoureuse et vigoureuse, n'oublions pas les Curies de France, car les bombes atomiques nécessaires à la série de découvertes de Rutherford étaient des particules alpha émises par des éléments radioactifs (notamment le radium). A cette époque, la France a créé le Laboratoire Curie. Curie a été tué dans un accident de voiture. Marie a remporté le prix Nobel de chimie pour ses réalisations en radioactivité. Le célèbre livre "Théorie générale de la radioactivité" a été rendu. Hébergés par Joliot Curie et Ilena Curie, ils sont tout aussi talentueux, et ils ne sont pas inférieurs aux trois lieux saints. Le petit Curie et sa femme ont eu un peu moins de chance. Ils ont découvert que le neutron a été préempté par Chadwick, le positron a été préempté par Anderson, et la fission nucléaire a été préemptée par Hahn, et l'opportunité était éphémère. Mais au final, il a remporté le prix Nobel pour la découverte de la radioactivité artificielle. Il existe aujourd'hui des milliers d'isotopes radioactifs, dont la plupart sont produits artificiellement, grâce aux petits Curies.

Le modèle nucléaire a connu du succès dans les expériences, mais il y a un grave conflit avec la théorie de base à cette époque. Selon l'électrodynamique classique, en raison du mouvement circulaire des électrons, les ondes électromagnétiques sont forcément rayonnées. En raison de la perte d'énergie, il tombera dans le noyau en 1 ns et émettra un spectre continu en même temps. En d'autres termes, l'atome n'existe pas en théorie. Mais les atomes existent et sont stables, émettant des spectres linéaires, étayés par un grand nombre de faits expérimentaux et toute la chimie. En 1911, un jeune danois de 26 ans est venu à Cambridge puis a été transféré au laboratoire Rutherford de Manchester pour se renseigner sur cette étonnante découverte du noyau atomique. Au final, il a trouvé une méthode de correction fondamentale du modèle nucléaire, qui peut non seulement expliquer la stabilité de l'atome, mais aussi calculer le rayon de l'atome. Il s'agit de Niels Bohr qui est aussi célèbre qu'Einstein.

En 1885, Barmer, professeur de mathématiques en Suisse, découvrit une formule empirique pour le spectre visible de l'atome d'hydrogène, qui fut plus tard promue par le physicien suédois Derber sous le nom de formule Rydberg. En 1900, le physicien allemand Planck a proposé le concept de quantification de l'énergie, expliquant le spectre de rayonnement du corps noir. En 1905, Einstein a proposé le concept de quantum de lumière. Ces conclusions ont donné à Bohr beaucoup d'inspiration. Sous ces révélations, Bohr a appliqué le concept de quantification au modèle atomique en 1913 et a proposé le modèle de l'atome d'hydrogène de Bohr. La clé de ce modèle réside dans les trois hypothèses introduites par Bohr. Hypothèse de régime permanent : les électrons ne peuvent se déplacer que sur certaines orbites discrètes et ils ne rayonneront pas d'ondes électromagnétiques. La condition de fréquence suppose que la différence de niveau d'énergie est la même que l'énergie du photon absorbé (ou émis) par l'atome. L'hypothèse de la quantification du moment cinétique : le moment cinétique d'un électron est un multiple entier de la constante de Planck environ. Grâce à une série de dérivations, le mystère du spectre de l'hydrogène a progressivement fait surface et a connu un grand succès. Bohr a remporté le prix Nobel en 1922 pour cela. Bien que le modèle de Bohr semble être relativement approximatif maintenant, sa signification ne réside pas dans le modèle lui-même, mais dans les concepts introduits lors de la construction du modèle : état stationnaire, niveau d'énergie, transition, etc. Bohr a introduit le principe de correspondance pour harmoniser le conflit entre le modèle de l'atome d'hydrogène et la mécanique classique. Après le succès de Bohr, il rejeta l'invitation de son mentor Rutherford et retourna dans sa patrie. Il a créé un institut de recherche à Copenhague (rebaptisé plus tard l'Institut de recherche Bohr). L'institut de recherche Bohr a attiré un grand nombre de jeunes étudiants en physique exceptionnels du monde entier. Des scientifiques, dont Heisenberg, Pauli et Dirac, les fondateurs de la théorie quantique, ont formé une forte atmosphère académique. A cette époque, Copenhague a commencé à explorer les lois fondamentales de la physique.

Jusqu'à présent, la physique peut être grossièrement divisée en deux écoles. L'une est l'école de physique classique représentée par Einstein. Ses membres sont Planck, De Broglie, Schrödinger, etc. ; l'autre est l'école de Copenhague, dirigée par Bohr, qui comprend Bonn, Heisenberg, Pauli et Dirac. Naturellement, cette polémique n'est pas encore terminée. Alors, qu'est-il arrivé à la physique après l'atome d'hydrogène de Bohr ? Quel est l'objet de la querelle entre les deux géants scientifiques ?

Modèle Chadwick

En 1935, le physicien britannique James Chadwick (Sir James Chadwick 1891~1974) est né en Angleterre en 1891. Après avoir obtenu son diplôme de l'Université de Manchester, il s'est spécialisé dans l'étude des phénomènes radioactifs. Après être allé à l'Université de Cambridge, sous la direction du professeur Rutherford, il a fait de nombreuses réalisations. En 1935, il remporte le prix Nobel de physique pour la découverte des neutrons. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il se rend aux États-Unis pour s'engager dans la recherche sur les armes nucléaires. Décédé en 1974.

Il a constaté que les neutrons et les protons ont la même masse, mais il n'est pas chargé. L'existence des neutrons explique pourquoi la masse des atomes est supérieure à la masse totale des protons et des électrons. Il a également remporté le prix Nobel de 1935 pour la découverte des neutrons.

Les atomes sont composés d'un noyau chargé positivement et d'électrons chargés négativement en orbite autour du noyau. Presque toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Au début, on pensait que la masse d'un noyau atomique (selon la théorie du modèle atomique de Rutherford et Bohr) devrait être égale au nombre de protons chargés positivement qu'il contient. Cependant, certains scientifiques ont découvert dans leurs recherches que le nombre de charges positives dans le noyau n'est pas égal à sa masse ! En d'autres termes, en plus des protons chargés positivement, le noyau devrait également contenir d'autres particules. Alors, quelles sont ces « autres particules » ?

Celui qui a résolu ce problème de physique et découvert que les « autres particules » sont des « neutrons » est le célèbre physicien britannique James Chadwick.

En 1930, lorsque les scientifiques Bottle et Baker bombardent le béryllium de particules alpha, ils découvrent une sorte de rayons très pénétrants. Ils pensaient qu'il s'agissait de rayons gamma et les ignoraient. Webster a même soigneusement identifié ce type de rayonnement et a vu sa nature neutre, mais il était difficile d'expliquer ce phénomène, il n'a donc pas continué à l'étudier en profondeur. La fille de Marie Curie, Elena Curie, et son mari ont également erré au bord du "rayon au béryllium" et ont finalement raté le neutron.

Chadwick est né à Cheshire, en Angleterre, en 1891 et est diplômé de l'Université Victoria de Manchester. Il n'a pas montré ses talents au collège. Il est taciturne et médiocre, mais il insiste sur son credo : s'il peut le faire, il doit le faire bien et être méticuleux ; il ne peut pas le faire et ne le comprend pas, et n'écrit jamais. Par conséquent, il ne peut parfois pas terminer ses devoirs de physique dans les délais. Et c'est son esprit de non-vanité, recherchant la vérité à partir des faits et "traitant les uns avec les autres, réalisant de grandes réalisations" qui lui a profité toute sa vie dans la recherche scientifique.

Chadwick, qui est entré à l'université, a rapidement révélé ses talents exceptionnels dans la recherche en physique grâce à ses solides connaissances de base. Il a été emmené par le célèbre scientifique Rutherford, et après l'obtention de son diplôme, il est resté au laboratoire de physique de l'Université de Manchester et s'est engagé dans des recherches radiologiques sous la direction de Rutherford. Deux ans plus tard, il a remporté la bourse nationale britannique pour son expérience réussie de « les rayons alpha s'écartent lors du passage à travers la feuille de métal ».

Alors que sa carrière scientifique commençait à poindre, la Première Guerre mondiale l'enferme dans un camp de prisonniers civils. Ce n'est qu'à la fin de la guerre qu'il est libre et retourne à la recherche scientifique. En 1923, il a été promu directeur adjoint du Laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge en raison des résultats exceptionnels dans la mesure et la recherche de la charge nucléaire, et il s'est engagé dans la recherche sur les particules avec le directeur Rutherford.

En 1931, Joliot Curie et la fille et le gendre de Mme Curie ont annoncé leur nouvelle découverte que la cire de paraffine produit un grand nombre de protons sous l'irradiation de "rayons de béryllium". Chadwick s'est immédiatement rendu compte que ce genre de rayons était probablement composé de particules neutres, et cette particule neutre était la clé du mystère que la charge positive du noyau n'est pas égale à sa masse !

Chadwick s'est immédiatement mis à étudier l'expérience de Joliot Curie et de sa femme. Ils ont utilisé une chambre à brouillard pour mesurer la masse de cette particule. Il s'est avéré que la masse de cette particule était la même que celle d'un proton. Accusé. Il a appelé cette particule "neutron".

Neutron a été découvert par lui. Il a résolu les problèmes rencontrés par les physiciens théoriciens dans la recherche atomique et a réalisé une percée dans la recherche en physique atomique. Plus tard, le physicien italien Fermi a utilisé des neutrons comme « boulets de canon » pour bombarder les noyaux d'uranium et a découvert la fission nucléaire et la réaction en chaîne dans la fission, qui ont créé une nouvelle ère d'utilisation humaine de l'énergie atomique. Chadwick a remporté le prix Nobel de physique en 1935 pour ses contributions exceptionnelles à la découverte des neutrons.

Relation quantitative

La relation quantitative entre les particules structurelles qui composent un atome

①Nombre de masse (A) = nombre de protons ( Z) + nombre de neutrons (N)

②Nombre de protons = nombre de charges nucléaires = nombre d'électrons à l'extérieur du noyau = numéro atomique

Remarque : les neutrons déterminent le type d'atome (isotope) et la masse. Le nombre détermine la masse atomique relative approximative de l'atome et le nombre de protons (nombre de charge nucléaire) détermine le type d'élément ; le nombre d'électrons dans la couche la plus externe de l'atome détermine l'insignifiance apparente de l'atome entier et détermine également les propriétés chimiques des principaux éléments du groupe.

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