Atommodeller

En atom är inte en solid kula. Länge trodde fysiker att atomen var materiens minsta, odelbara byggsten. Men experiment i början av 1900-talet visade att atomen har en inre struktur: en liten kärna omgiven av elektroner, med mest tomt utrymme mellan dem. Bilden av atomen har ändrats flera gånger när nya experiment gett nya svar.

1897 undersökte den brittiske fysikern J.J. Thomson katodstrålar i vakuumrör och fann att de bestod av små, negativt laddade partiklar: elektroner. Atomen var alltså inte odelbar. Thomson föreslog att elektronerna sitter inbäddade i en positivt laddad massa, ungefär som russin i en pudding – en bild som brukar kallas russinpuddingmodellen. Den förklarade varför atomen är neutral utåt.

Ernest Rutherford prövade modellen genom att låta medarbetarna Hans Geiger och Ernest Marsden skjuta alfapartiklar mot en guldfolie som var tunnare än en tusendels millimeter, omkring 1909. Enligt russinpuddingmodellen skulle partiklarna bara avböjas lite. Nästan alla gick mycket riktigt rakt igenom, men några få kastades nästan rakt tillbaka – ungefär som att skjuta en kanonkula mot silkespapper och se den komma tillbaka. Av detta drog Rutherford 1911 slutsatsen att nästan hela atomens massa och hela dess positiva laddning sitter i en mycket liten kärna, medan elektronerna rör sig långt därifrån i ett i övrigt tomt utrymme.

Men en elektron som kretsar runt en positiv kärna borde enligt klassisk elektromagnetism ständigt sända ut strålning, förlora energi och spiralera in mot kärnan. Atomerna skulle då kollapsa på en bråkdel av en sekund. 1913 löste Niels Bohr problemet genom att anta att elektronerna bara får befinna sig i bestämda skal med bestämda energier runt kärnan – de kan hoppa mellan skalen, men inte befinna sig mellan dem. Det gav atomen dess stabilitet och förklarade varför glödande väte sänder ljus av just vissa färger, inte ett jämnt färgband.

Bohrs modell fungerade utmärkt för väte men gav fel svar för grundämnen med fler elektroner. Förklaringen krävde en helt ny teori, kvantmekaniken, som i stället för banor och skal anger var elektronerna sannolikt finns.

Det här lär du dig

Beskriva hur bilden av atomen förändrats från Thomson via Rutherford till Bohr
Förklara vad Rutherfords guldfolieförsök visade om atomens struktur
Namnge atomens delar: kärna, protoner, neutroner och elektroner
Förklara vilket problem i klassisk fysik Bohrs modell löste och varför modellen ändå inte var fullständig

Begrepp att kunna

Elektron: En negativt laddad partikel som rör sig runt atomkärnan. Thomson upptäckte den 1897 genom att studera katodstrålar.
Atomkärna: Atomens täta, positivt laddade mitt som innehåller protoner och neutroner och nästan hela atomens massa.
Proton: En positivt laddad partikel i atomkärnan. Antalet protoner avgör vilket grundämne atomen är.
Neutron: En elektriskt neutral partikel i atomkärnan som bidrar till massan men inte till laddningen.
Elektronskal: I Bohrs modell: bestämda avstånd runt kärnan där elektroner får befinna sig, varje skal med sin egen energi.

Vanliga svårigheter

Tror att atomen är en solid kula

Många föreställer sig atomen som en liten, hård boll. Men Rutherfords guldfolieförsök visade att atomen till nästan hela sin volym är tomt utrymme: kärnans diameter är bara en tiotusendel till en hundratusendel av atomens.

Blandar ihop Rutherfords och Bohrs bidrag

Rutherford visade att det finns en liten, tät kärna, men sa ingenting om hur elektronerna är ordnade. Det var Bohr som lade till att elektronerna sitter i bestämda skal med bestämda energier. De två modellerna svarar på olika frågor och kompletterar varandra.

Tror att elektroner spiralerar in mot kärnan

Enligt klassisk fysik borde en elektron i bana runt kärnan hela tiden sända ut strålning, förlora energi och falla in mot kärnan inom en bråkdel av en sekund. Bohrs lösning var att elektronerna bara får ha vissa bestämda energier, vilket förhindrar denna kollaps.

I verkligheten

Gamla tv-apparater och oscilloskop med katodstrålerör

Röret skjuter precis den sortens elektronstråle som Thomson studerade 1897. Elektronerna böjs av elektriska eller magnetiska fält och träffar en skärm belagd med fluorescerande material, vilket ger bilden. Principen är oförändrad sedan upptäckten av elektronen.

Materialforskare undersöker tunna skikt med en metod som bygger direkt på Rutherfords försök

Metoden, Rutherford backscattering, skjuter alfapartiklar mot ett material och mäter hur många som kastas tillbaka och med vilken energi. Precis som 1909 är det atomkärnorna som kastar tillbaka partiklarna. Energin de studsar tillbaka med visar vilka grundämnen skiktet innehåller och hur djupt de sitter, till exempel när tunna skikt i datorchip kontrolleras.

Tips

Jämför storleksordningarna konkret: om atomkärnan var stor som en ärta mitt i en stor idrottsarena, skulle elektronerna röra sig ute vid åskådarplatserna. Det gör guldfolieförsökets resultat lättare att ta till sig.
Rita de tre atommodellerna i tidsordning på samma papper: Thomsons pudding med russin, Rutherfords kärna med tomrum runt, Bohrs kärna med skal som ringar omkring. Att se utvecklingen i en bild gör det lättare att hålla isär vem som bidrog med vad.
Koppla känslan av överraskning till fysiken: Rutherford själv liknade resultatet vid att skjuta en kanonkula mot silkespapper och se den komma tillbaka. Minns den bilden så minns du varför upptäckten var ett genombrott.

Testa dig själv

1. Vad hände när Geiger och Marsden sköt alfapartiklar mot guldfolie, och varför blev resultatet en överraskning?

De förväntade sig att nästan alla partiklar skulle gå rakt igenom med bara en liten avböjning, eftersom den rådande modellen beskrev atomens positiva laddning och massa som jämnt utspridda. Nästan alla gick mycket riktigt igenom, men några få kastades nästan rakt tillbaka. Det gick bara att förklara om nästan all massa och all positiv laddning sitter i en liten kärna.

2. Glödande väte sänder bara ljus i vissa bestämda färger. Varför kunde Bohrs modell förklara det, men inte Rutherfords?

I Rutherfords modell följer elektronen klassisk fysik: den kan kretsa på vilket avstånd som helst och borde stråla ut ljus med jämnt skiftande färg medan den spiralerar inåt. Hos Bohr har elektronen bara vissa bestämda energier. Ljus sänds ut när den hoppar ner från en högre nivå till en lägre, och eftersom det bara finns vissa energiskillnader blir det bara vissa färger.

3. Varför är det ett problem för klassisk fysik att en elektron kretsar runt atomkärnan, och hur löste Bohr det?

En accelererande laddning, som en elektron i en cirkelbana, borde enligt klassisk elektromagnetism ständigt sända strålning och förlora energi tills den föll in i kärnan. Bohr löste problemet genom att anta att elektronerna bara får befinna sig på bestämda energinivåer där de inte strålar, och att de bara kan hoppa mellan dessa nivåer.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Partikelstrålning och elektromagnetisk strålning, deras användningsområden och risker.
Fysik åk 7–9 · Systematiska undersökningar och granskning av information
Sambandet mellan undersökningar av fysikaliska fenomen och utvecklingen av begrepp och förklaringsmodeller. De fysikaliska förklaringsmodellernas historiska framväxt, användbarhet och föränderlighet.
Fysik nivå 1a1 · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i standardmodellen.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i standardmodellen.
Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Atomers elektronstruktur samt absorptions- och emissionsspektra.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Leder vidare till

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: