Резерфорд установил что атом состоит из. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. От Резерфорда к Нильсу Бору

Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.

Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.

Открытие электрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.

Модель атома Томсона

Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".

Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.

Опыт Резерфорда

Эрнест Резерфорд

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Опыт Резерфорда

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .

Планетарная модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорда

Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Почему атом существует

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?

Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

Строение атома

Единицы заряда, массы и энергии в атомной физике.

Итак, заряд любой частицы содержит всегда целое число элементарных зарядов. Для частицы атомных размеров это целое число будет к тому же и небольшим. Ввиду этого в атомной физике удобно за единицу электрического заряда принять элементарный заряд е=1,60 10-19 Кл. За единицу массы в атомной физике принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12С. Атомная масса этого изотопа равна 12, а молярная масса М = 12 10-3 кг/моль. Поэтому атомная единица массы (а. е. м.) равна

Атомную единицу массы можно определить также как массу атома элемента с атомной массой 1. Поэтому масса атома (точнее ее средняя величина), выраженная в атомных единицах массы, равна атомной массе элемента.

Отметим, что элемента с атомной массой, равной единице, в природе не существует. Атомная масса водорода близка к единице, но несколько больше ее: она равна 1,008. Итак, масса легчайшего из атомов равна 1,008 а. е. м.

Единица энергии, принятая в атомной физике, есть энергия, приобретаемая частицей с зарядом е (например, электроном) при прохождении разности потенциалов 1 В. Эта единица носит название электронвольт и обозначается эВ. Энергия, приобретаемая зарядом при движений в электрическом поле, равна произведению заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек пути, поэтому
1 эВ=1,6 10-19 Кл 1В=1,6 10-19Дж.
Из определения электронвольта следует, что электрон, ускоренный разностью потенциалов U [В], имеет энергию, численно равную U [эВ]. Ион с зарядом 2е, пройдя ту же разность потенциалов, приобретает энергию 2U [эВ], и т. д.

В электронвольтах можно измерять энергию не только заряженных, но и нейтральных частиц. Для примера выразим в электронвольтах энергию атома кислорода (m=16 а. е. м.), движущегося со скоростью v=103 м/c:

Используются также кратные электронвольту единицы:
1 кэВ=103 эВ, 1МэВ=106 эВ, 1 ГэВ=109 эВ, 1 ТэВ=1012 эВ.

Модель атома Резерфорда-Бора.

Все вещество состоит из элементарных частиц. Но вещество не состоит из элементарных частиц непосредственно. Кирпичиками или элементами, из которых построено все вещество являются атомы. До 1912 г. ученые представляли атом в виде положительно заряженного шара, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны. Конструкция похожая на кекс с изюминками-электронами была предложена однофамильцами Томсонами – Джозефом Джоном и Уильямом лордом Кельвином.

В целом положительные и отрицательные заряды в таком атоме скомпенсированы и атом электрически нейтрален. Предполагалось, что вся масса атома сконцентрирована в электронах. Поскольку электрон намного легче атома, то даже самые простые атомы должны содержать тысячи электронов.

В 1909 г. Резерфорд поручил молодому тогда еще физику Марсдену исследовать рассеяние альфа лучей при прохождении их через тонкие металлические пластинки. Большинство элементарных частиц испытывали незначительные отклонения после прохождения через пластинки. Однако Марсдену удалось обнаружить и очень сильно отклонившиеся частицы. Их, правда, было очень мало, но удивительно было то, что они вообще были. Конечно, Марсдену могло это показаться. Для регистрации альфа частиц использовался спинтарископ – небольшой прозрачный экран, покрытый специальным флуоресцирующим веществом. Когда элементарная частица попадает в такой экран, возникает слабая вспашка. Вспышка очень маленькая и слабая. Ее наблюдают под микроскопом. Чтобы глаз мог ее заметить, человек должен привыкнуть к темноте. Для этого он, прежде чем начать работать, то есть регистрировать и считать вспышки, должен полчаса посидеть в полной темноте. Вполне естественно поэтому предположить, что Марсден мог ошибиться.

Резерфорд просит Марсдена повторить опыты, но на этот раз специально следить за частицами, получившими большое отклонение вплоть до 90°.

Когда через несколько дней Марсден вошел в кабинет Резерфорда и сказал "есть такие частицы", Резерфорд от удивления выронил трубку. Резерфорд, хотя и предложил Марсдену провести эти опыты, сам не ожидал такого результата.

Резерфорд потом вспоминал: "это было самым невероятным событием моей жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился к вам и нанес вам удар ".

Опыты снова были перепроверены, но на этот раз к экспериментам подключился Гейгер. Явление было экспериментально изучено и материалы экспериментов опубликованы в том же году. Однако смысл результатов был загадочным. Не мог атом Томсона задержать, летящую с большой скоростью альфа-частицу.

В 1911 г. Резерфорд публикует свою статью "Рассеивание альфа- и бета-частиц веществом и структура атома", в которой предлагает свою знаменитую планетарную модель атома.

Маленькое очень массивное положительно заряженное ядро, от которого как раз и отскакивали альфа-частица в описанных опытах, расположено в центре атома Резерфорда. Вокруг ядра вращаются легкие отрицательно заряженные электроны. Большую часть пространства внутри атома заполняет пустота. В целом модель очень похожа на нашу Солнечную систему.

К великому сожалению Резерфорда, статья была встречена молчанием. Резерфорд, конечно понимал почему. Его атом был недолговечен. Электрон, вращаясь вокруг ядра, должен излучать электромагнитные волны и терять вследствие этого энергию. При этом скорость его должна была бы замедлиться, и он должен был бы упасть на ядро. Однако опыт свидетельствует, что практически все атомы в природе устойчивы.

Выправил ситуацию Нильс Бор.

Теория Бора

Постулаты Бора по своему характеру аналогичны законам Кеплера, которых тоже три. И те и другие являются угаданными закономерностями, полученными на основе экспериментальных фактов. Кеплеру было пожалуй даже труднее. Как, например, можно прийти к результату, что (формула)? Только после того, как Ньютон сформулировал законы механики, законы Кеплера стало возможно объяснить.

Основным недостатком модели Резерфорда было то, что электрон, движущийся по круговой орбите вокруг ядра, должен излучать электромагнитные волны, но факты говорят о том, что он не излучает. Ученые, в том числе и Резерфорд, не могли объяснить этого противоречия. Не мог этого сделать и Бор. Он просто встал на сторону фактов: раз электроны не излучают, значит так и должно быть. Так появился первый постулат. Всего как мы уже сказали их три.

Постулаты Бора

1. Электроны движутся в атоме по стационарным орбитам, при этом они не излучают и не поглощают энергии.

2. Стационарными орбитами будут те, для которых момент количества движения электрона mvr равна целому кратному .

, где k = 1, 2, 3, 4...

3. При переходе с одной орбиты на другую электрон излучает или поглощает энергию в виде фотона.

Находясь на более далеких орбитах, электрон обладает большей энергией, поэтому, переходя на орбиту ближе к ядру, он излучает один фотон с энергией

Когда же атом поглощает фотон, электрон может подняться на более высокий уровень.

Размеры атома водорода

Электрон, вращаясь вокруг ядра, испытывает к нему силу кулоновского притяжения:

где – заряд атомного ядра с порядковым номером Z.

Эта сила в соответствии со вторым законом Ньютона должна равняться , следовательно: или .

Второй постулат Бора говорит нам о том, что радиус орбиты не может быть произвольным, а должен подчиняться уравнению:

где мы будем обозначать k-ую стационарную орбиту. Отсюда получаем

.

Мы получили радиус k-ой стационарной орбиты атома с порядковым номером Z. Для водорода Z=1. Найдем радиус первой (k = 1) самой внутренней орбиты, на которой электрон обладает минимальным запасом энергии.

Следовательно, диаметра атома водорода равен примерно , что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Найдем энергию электрона на k-ой орбите.

Его энергия складывается из кинетической энергии движения по орбите и потенциальной электростатической энергии взаимодействия с ядром.

Тема этого занятия - «Модели атомов. Опыт Резерфорда». На нём мы узнаем, как происходило изучение учеными сложной структуры атомов, как нашли объяснение этой теории, где полученные знания применяются на сегодняшний день. Также мы рассмотрим, как с помощью опыта Резерфорда можно изучить модель атома.

На предыдущем уроке мы обсудили, что в результате радиоактивности образуются различные виды излучений: a-, b-, и g-лучи. Появился инструмент, при помощи которого можно было изучать строение атома.

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном , который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10 -10 м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» - это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» - это электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду . На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда (рис. 2) и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.

Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.

В первую очередь здесь потерпела крах теория Томсона. По теории Томсона, атом представляет собой шар размером 10 -10 м, в котором положительный заряд размазан и есть электрон. Так вот, электроны - это очень маленькие частицы, они не могут препятствовать a-частицам, летящим с приличной скоростью. Скорость a-частиц в данном случае составляла около 10000 км/с.

Представьте себе ситуацию, когда грузовик столкнется с игрушечным автомобилем. Понятно, что грузовик даже не заметит такого автомобиля. Это мы можем привести как аналогию столкновения электрона с a-частицей. Значит, необходимо было сделать вывод, что атом устроен иначе, не так, как утверждал Томсон. И, видимо, в атоме золота есть объект более массивный, чем a-частица, имеющий положительный заряд.

Давайте посмотрим еще одну картину, которая характеризует рассеивание a-частиц на той массивной частице, наличие которой предсказал Резерфорд в атоме (рис. 3).

Рис. 3. Рассеивание альфа-частиц По результатам опытов можно было говорить, что в атоме есть массивный положительно заряженный объект. a-частица, сталкиваясь с этой большой частицей, может отразиться обратно. Те частицы, которые пролетают рядом, отклоняются на разные углы. Чем дальше a-частица пролетает от этого объекта, тем на меньший угол они отклоняются. Такое явление получило название «рассеивание a-частиц ».

Крупную частицу, которая находится внутри атома, Резерфорд назвал ядром. И даже оценил его размеры. По оценке Резерфорда, размеры ядра составили 10 -14 -10 -15 м. Этот объект был очень и очень мал по своим размерам по сравнению с атомом. Атом имеет размер порядка 10 -10 м. При этом практически вся масса атома была сосредоточена именно в ядре. И именно вокруг ядра обращаются электроны.

Отсюда следует планетарная модель Резерфорда, которая утверждает, что атом представляет собой массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по своим орбитам обращаются электроны (рис. 4). В целом атом электронейтрален, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома избыток или недостаток электронов, то его называют ион.

Рис. 4. Планетарная модель атома

Конечно, были и другие теории, представляющие интерес. На сегодняшний день общепринятой, с некоторыми оговорками, о которых поговорим позднее, является именно планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом.

Список литературы

1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. - М.: Наука, 1980.
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. - М.: «Просвещение».
3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. - М.: Наука.
4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа.
5. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. - М.: Наука, 1989.
6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. - М.: Наука.
7. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. - М.: Наука.
8. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. - М.: Наука, 1965.

Еще во времена Древней Греции философы догадывались о внутреннем строении вещества. А первые модели строения атомов появились уже в начале XX века. Гипотеза Дж. Томсона не была воспринята научным сообществом того времени критично - ведь до нее уже были выдвинуты различные теории о том, что же находится внутри мельчайших частиц материи.

«Пудинг с изюмом», или модель Томсона

Вплоть до XIX века ученые предполагали, что атом является неделимым. Однако все изменилось после того, как Джозеф Томсон в 1897 году открыл электрон - стало понятно, что ученые ошибались. Обе модели атома Томсона и Резерфорда были выдвинуты в начале прошлого столетия. Первой появилась модель У. Томсона, который высказывал предположение о том, что атом является сгустком материи, имеющей положительный электрический заряд. Внутри этого сгустка находятся равномерно распределенные электроны - именно поэтому данная модель была названа «кексовой». Ведь согласно ей электроны в материи располагаются подобно изюминкам в кексе. Другое неофициальное название модели - «Пудинг с изюмом».

Заслуги Дж. Томсона

Данная модель была разработана еще более детально Дж. Дж. Томсоном. В отличие от У. Томсона, он предполагал, что электроны в атоме располагаются строго на одной плоскости, представляющие собой концентрические кольца. Несмотря на одинаковую важность моделей атома Томсона и Резерфорда для науки того времени, стоит отметить, что Дж. Томсоном, помимо всего прочего, впервые был предложен способ определения количества электронов внутри атома. Его метод был основан на рассеивании рентгеновских лучей. Дж. Томсон предположил, что именно электроны являются теми частицами, которые должны быть в центре рассеивания лучей. Кроме того, именно Томсон был тем ученым, который В современных школах именно с изучения его открытий начинается изучение курса квантовой механики.

Минусы теории Томсона

Однако по сравнению с Томсона имела один существенный недостаток. Она не могла объяснить дискретный характер излучения атома. Нельзя было с ее помощью и сказать что-либо о причинах устойчивости атома. Окончательно она была опровергнута, когда были произведены знаменитые опыты Резерфорда. Модель атома Томсона при этом имела не меньшую ценность для науки того времени, нежели другие гипотезы. Необходимо учитывать, что все эти модели, имевшиеся на тот момент, являлись сугубо гипотетическими.

Особенности опыта Резерфорда

В 1906-1909 годах Г. Гейгером, Э. Мардсеном и Э. Резерфордом были проведены опыты, в ходе которых альфа-частицы подвергались рассеиванию на поверхности Кратко модели атома Томсона и Резерфорда описываются следующим образом. В модели Томсона электроны распределены в атоме неравномерно, а в теории Резерфорда - вращаются в концентрических плоскостях. Отличительным фактором в опыте Резерфорда было использование именно альфа-частиц вместо электронов. Альфа-частицы, в отличие от электронов, обладали гораздо большей массой, и не претерпевали значительных отклонений, когда сталкивались с электронами. Поэтому у ученых была возможность регистрировать только те столкновения, которые происходили с положительно заряженной частью атома.

Роль открытия Резерфорда

Этот опыт имел решающее значение для науки. С его помощью ученые смогли получить ответы на те вопросы, которые оставались загадкой для авторов различных моделей атома. Томсон, Резерфорд и Бор, хотя и обладали одинаковой базой, все же внесли несколько различный вклад в науку - и результаты опытов Резерфорда в данном случае были поразительными. Их результаты оказались прямо противоположными тому, что ожидали увидеть ученые.

Большая часть альфа-частиц проходило через лист фольги по прямым (или практически прямым) траекториям. Однако траектории некоторых альфа-частиц отклонялись на значительные углы. А это было свидетельством того, что в атоме находилось образование с очень большой плотностью, и имевшее положительный заряд. В 1911 году на основе экспериментальных данных была выдвинута модель строения атома Резерфорда. Томсон, теория которого до этого считалась господствующей, в это время продолжал работать в лаборатории Кавендишского университета. До конца своей жизни ученый продолжал верить в существование механического эфира, несмотря на все успехи в научных исследованиях того времени.

Планетарная модель Резерфорда

Обобщив результаты экспериментов, выдвинул основные положения своей теории: согласно ей, атом состоит из тяжелого и плотного ядра очень малых размеров; вокруг этого ядра расположены электроны, находящиеся в непрерывном движении. Радиусы орбит этих электронов также малы: они составляют 10-9 м. Эта модель была названа «планетарной» за свое сходство с В ней планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг огромного и массивного центра, обладающего притяжением - Солнца.

Электроны вращаются в атоме с такой гигантской скоростью, что образуют вокруг поверхности атома нечто вроде облака. Согласно теории Резерфорда, атомы располагаются друг от друга на некотором расстоянии, что позволяет им не слипаться друг с другом. Ведь вокруг каждого из них существует отрицательно заряженная электронная оболочка.

Модели атома Томсона и Резерфорда: основные отличия

Каковы же основные различия между двумя важнейшими теориями строения атома? Резерфорд предполагал, что в центре атома находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, и объем которого, в сравнении с размерами атома, ничтожно мал. Томсон же предполагал, что весь атом представляет собой образование с большой плотностью. Вторым главным отличием было понимание положения электронов в атоме. Согласно Резерфорду, они вращаются вокруг ядра, и их число примерно равно ½ атомной массы химического элемента. В теории Томсона же электроны внутри атома распределены неравномерно.

Минусы теории Резерфорда

Однако, несмотря на все достоинства, на тот момент теория Резерфорда содержала в себе одно важное противоречие. По законам классической электродинамики, электрон, вращавшийся вокруг ядра, должен был постоянно испускать порции электрической энергии. Из-за этого радиус орбиты, по которой двигается электрон, должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение. Согласно этим представлениям, время жизни атома должно быть ничтожно малым.

Чаще всего, когда говорят об открытии внутреннего строения атома, упоминают имена Томсона и Резерфорда. Опыты Резерфорда, модель атома которого сейчас известна каждому студенту физико-математических отделений в вузах, в настоящее время является частью истории науки. Когда Резерфорд сделал свое открытие, он воскликнул: «Теперь мне известно, как выглядит атом!» Однако в действительности он ошибался, ведь истинная картина стала известна ученым гораздо позднее. Хотя модель Резерфорда и была подвергнута с течением времени значительным коррективам, ее смысл остался неизменным.

Модель Бора

Однако, помимо моделей атома Томсона и Резерфорда, существовала еще одна теория, объяснявшее внутреннее строение этих мельчайших частиц материи. Она принадлежит Нильсу Бору - датскому физику, предложившему свое объяснение в 1913 году. Согласно его модели, электрон в атоме не подчиняется стандартным физическим законам. Именно Бор был тем ученым, который ввел в науку понятие о соотношении между радиусом орбиты электрона и его скоростью.

В процессе создания своей теории Бор взял за основу модель Резерфорда, однако подверг ее значительной доработке. Модели атомов Бора, Резерфорда и Томсона сейчас могут показаться несколько простыми, однако именно они легли в основу современных представлений о внутреннем строении атома. Сегодня общепринятой является квантовая модель атома. Несмотря на то что квантовая механика не может описывать движение планет Солнечной системы, понятие орбиты до сих пор осталось в теориях, описывающих внутренне строение атома.

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощьюα -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар». В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона:

где q α - заряд α -частицы; q - положительный заряд атома; r - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα -частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что α -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Планетарная модель атома , или модель Резерфорда , - историческая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики. Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга»Джозефа Джона Томсона, которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома.