Ядерная модель атома опыты э резерфорда. Школьная энциклопедия

До конца XIX века считалось, что атом неделим. Но после того как английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 г. открыл электрон, стало понятно, что учёные ошибались.

Итак, открыв электрон , Томсон пришёл к выводу, что он обладает массой и имеет отрицательный заряд. Было сделано предположение, что электрон является составной частью атома. Но раз он имеет отрицательный заряд, следовательно, в состав атома должны входить частицы, имеющие положительный заряд, так как в целом атом нейтрален.

Модель атома Томсона

Томсон предложил свою модель атома. Он считал, что атом имеет форму шара. Внутри этого шара находится положительно заряженное вещество, в котором существуют отрицательно заряженные электроны. Свою модель Томсон в шутку называл «булочкой с изюмом». То есть, в его модели электроны как бы вкраплены в какую-то положительно заряженную массу, как изюминки в булочке.

Опыт Резерфорда

Опыт Резерфорда

Дальнейшие исследования атома учёными показали, что модель, предложенная Томсоном, была неправильной.

В 1909 г. английский физик Эрнест Резерфорд провёл опыт с рассеиванием альфа-частиц, которые образуются при распаде химического элемента радия. Масса альфа-частиц в 8000 раз превышает массу электрона.

В эксперименте Резерфорда пучок альфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Нужно сказать, что фольга была настолько тонка, что её толщина составляла практически один слой молекул. Если Томсон был прав, и атом состоял из некоего облака с электронами, то альфа-частицы, обладающие большой массой, должны были легко проходить через фольгу. Но на деле оказалось, что часть альфа-частиц действительно проходила, отклоняясь лишь на небольшой угол, а часть словно наталкивалась на какое-то препятствие и отскакивала назад. Это было невероятно. Впоследствии Резерфорд сравнивал свой опыт с выстрелом 15-дюймовым снарядом по папиросной бумаге. Результат его опыта был таким, как если бы снаряд не только не пробил папиросную бумагу, но и отскочил от неё. То есть внутри атома существовало что-то, мешавшее альфа-частицам проходить сквозь атом. Так как альфа-частицы имели положительный заряд, то, скорее всего, они проходили мимо других частиц с положительным зарядом. И размеры этих частиц были намного меньше размеров самого атома. Атом золота должен был состоять из ядра, имеющего положительный заряд и окружавших его отрицательно заряженных электронов.

Можно сказать, что это было рождение ядерной физики.

Планетарная модель атома

Модель атома Резерфорда

Резерфорд предложил свою модель атома, которая объясняла строение атома. Он считал, что вся основная масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. А вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные электроны так, как планеты вращаются вокруг Солнца. И вращаются электроны под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Модель Резерфорда была названа планетарной.

Электроны в атоме вращаются с такой огромной скоростью, что образуют над поверхностью ядра подобие облака. Все атомы располагаются на некотором расстоянии друг от друга. И не «слипаются» они, потому что вокруг ядра каждого атома существует свое электронное «облако», заряженное отрицательно. И это «облако» отталкивается от отрицательно заряженного электронного «облака» другого атома.

Но модель атома Резерфорда имела недостатки. Она была несовместима с законами классической физики. Почему электрон не падает на ядро? Потому что вращается вокруг него. Но, вращаясь, он должен излучать электромагнитные волны и терять энергию. И, постепенно растратив всю энергию, электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит в действительности. То есть, процессы, происходящие в атоме, не подчиняются классическим законам.

Впоследствии датский физик Нильс Бор дал объяснение этому явлению. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по стационарным орбитам, находясь на которых они не излучают энергию. И Бор оказался прав.

Лекция: Планетарная модель атома

Строение атома

Наиболее точный способ определения структуры любого вещества - это спектральный анализ. Излучение у каждого атома элемента исключительно индивидуальное. Однако, прежде, чем понять, каким образом происходит спектральный анализ, разберемся, какую структуру имеет атом любого элемента.

Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона - за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась "пудингом с изюмом".

Томсон считал, что атом является сплошным шаром, имеющим отрицательный электрический заряд. Для его компенсации в шар вкраплены электроны, как изюминки. В сумме заряд электронов совпадает с зарядом всего ядра, что делает атом нейтральным.

ВО время изучения строения атома выяснили, что все атомы в твердых телах совершают колебательные движения. А, как известно, любая двигающаяся частица излучает волны. Именно поэтому каждый атом имеет свой собственный спектр. Однако данные утверждения никак не вкладывались в модель Томсона.

Опыт Резерфорда

Чтобы подтвердить или опровергнуть модель Томсона, Резерфордом был предложен опыт, в результате которого происходила бомбардировка атома некоторого элемента альфа-частицами. В результате данного эксперимента было важно увидеть, как будет вести себя частица.

Альфа частицы были открыты в результате радиоактивного распада радия. Их потоки представляли собой альфа-лучи, каждая частица которых имела положительный заряд. В результате многочисленных изучений было определено, что альфа-частица походит на атом гелия, в котором отсутствуют электроны. Используя нынешние знания, мы знаем, что альфа частица - это ядро гелия, в то время Резерфорд считал, что это были ионы гелия.

Каждая альфа-частица имела огромную энергию, в результате чего она могла лететь на рассматриваемые атомы с высокой скоростью. Поэтому основным результатом эксперимента являлось определение угла отклонения частицы.

Для проведения опыта Резерфорд использовал тонкую фольгу из золота. На нее он направлял высокоскоростные альфа-частицы. Он предполагал, что в результате данного эксперимента все частицы будут пролетать сквозь фольгу, причем с небольшими отклонениями. Однако, чтобы выяснить это наверняка, он поручил своим ученикам проверить, нет ли больших отклонений у данных частиц.

Результат эксперимента удивил абсолютно всех, ведь очень многие частицы не просто отклонились на достаточно большой угол - некоторые углы отклонения достигали более 90 градусов.

Данные результаты удивили абсолютно всех, Резерфорд говорил, что такое чувство, будто на пути снарядов был поставлен листок бумаги, который не дал альфа-частице проникнуть во внутрь, в результате чего, она повернулась обратно.

Если бы атом действительно был сплошным, то он должен был иметь некоторое электрическое поле, которое затормаживало частицу. Однако, сила поля была недостаточной, чтобы остановить её полностью, а уж тем более отбросить обратно. А это значит, что модель Томсона была опровергнута. Поэтому Резерфорд начал работать над новой моделью.

Чтобы получить такой результат эксперимента, необходимо сосредоточить положительный заряд в меньшем размере, в результате чего получится большее электрическое поле. По формуле потенциала поля можно определить необходимый размер положительной частицы, которая смогла бы оттолкнуть альфа-частицу в противоположном направлении. Радиус её должен быть порядка максимум 10 -15 м . Именно поэтому Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Данная модель названа так неспроста. Дело в том, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, подобное Солнцу в Солнечной системе. Вокруг ядра, как планеты вращаются электроны. Солнечная система устроена таким образом, что планеты притягиваются к Солнцу с помощью гравитационных сил, однако, они не падают на поверхность Солнца в результате имеющейся скорости, которая держит их на своей орбите. То же самое происходит и с электронами - кулоновские силы притягивают электроны к ядру, но за счет вращения они не падают на поверхность ядра.

Одно предположение Томсона оказалось абсолютно верно - суммарный заряд электронов соответствует заряду ядра. Однако в результате сильного взаимодействия электроны могут быть выбиты со своей орбиты, в результате чего заряд не компенсируется и атом превращается в положительно заряженный ион.

Очень важной информации относительно строения атома является то, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Например, у атома водорода имеется всего один электрон, чья масса более, чем в полторы тысячи раз меньше, чем масса ядра.

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.

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.

Планетарную модель атома предложил Э. Резерфорд в 1910 году. Первые исследования структуры атома были сделаны им при помощи альфа-частиц. На основе результатов, полученных в экспериментах по их рассеянию, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в его центре. С другой стороны, отрицательно заряженные электроны распределены внутри всего остального его объема.

Немного предыстории

Первую гениальную догадку о существовании атомов сделал древнегреческий ученый Демокрит. С тех пор идея о существовании атомов, комбинации которых дают все окружающие нас вещества, не покидала воображения людей науки. Периодически к ней обращались различные ее представители, но до начала XIX века их построения были всего лишь гипотезами, не подкрепленными опытными данными.

Наконец, в 1804 году, более чем за сто лет до того как появилась планетарная модель атома, английский ученый Джон Дальтон представил доказательства его существования и ввел понятие атомного веса, явившееся его первой количественной характеристикой. Как и его предшественники, он представлял атомы мельчайшими частями материи, похожими на твердые шарики, которые не могут быть разделены на еще более мелкие частицы.

Открытие электрона и первая модель атома

Прошло почти целое столетие, когда, наконец, в конце XIX века также англичанин Дж. Дж. Томсон открыл первую субатомную частицу, отрицательно заряженный электрон. Поскольку атомы электрически нейтральны, Томсон думал, что они должны состоять из положительно заряженного ядра с электронами, разбросанными по его объему. Основываясь на различных результатах, полученных экспериментально, он в 1898 году предложил свою модель атома, иногда называемую «сливы в пудинге», потому что атом в ней представлялся в виде сферы, заполненной некоторой положительно заряженной жидкостью, в которую электроны были внедрены, как «сливы в пудинг». Радиус такой сферической модели был около 10 -8 см. Общий положительный заряд жидкости симметрично и равномерно сбалансирован отрицательными зарядами электронов, как показано на рисунке ниже.

Эта модель удовлетворительно объясняла то обстоятельство, что при нагревании вещества оно начинает излучать свет. Хотя это была первая попытка понимания того, что же такое атом, она не смогла удовлетворить результатам экспериментов, выполненных позже Резерфордом и другими. Томсон в 1911 году согласился, что его модель просто не может ответить, как и почему происходит наблюдаемое в опытах рассеяние α-лучей. Поэтому она была оставлена, а на смену ей пришла более совершенная планетарная модель атома.

Как же все таки устроен атом?

Эрнест Резерфорд дал объяснение явления радиоактивности, которое принесло ему Нобелевскую премию, однако его наиболее значительный вклад в науку был сделан позднее, когда он установил, что атом состоит из плотного ядра, окруженного орбитами электронов, подобно тому, как Солнце окружено орбитами планет.

Согласно планетарной модели атома, большая часть его массы сконцентрирована в крошечном (по сравнению с размерами всего атома) ядре. Электроны двигаются вокруг ядра, путешествуя с невероятной скоростью, но большая часть объема атомов является при этом пустым пространством.

Размер ядра настолько мал, что его диаметр в 100 000 раз меньше, чем у атома. Диаметр ядра была оценен Резерфордом как 10 -13 см, в отличие от размера атома - 10-8 см. За пределами ядра электроны вращаются вокруг него с высокими скоростями, в результате чего возникают центробежные силы, уравновешивающие электростатические силы притяжения между протонами и электронами.

Опыты Резерфорда

Планетарная модель атома возникла в 1911, после знаменитого эксперимента с золотой фольгой, позволившего получить некоторые фундаментальные сведения о его строении. Путь Резерфорда к открытию атомного ядра является хорошим примером роли творчества в науке. Его поиски начались еще в 1899 году, когда он обнаружил, что некоторые элементы испускают положительно заряженные частицы, которые могут проникать через что угодно. Он назвал эти частицы альфа (α) частицами (теперь мы знаем, что они были ядрами гелия). Как и все хорошие ученые, Резерфорд был любопытен. Он задавался вопросом, можно ли использовать альфа-частицы, чтобы узнать структуру атома. Резерфорд решил нацелить луч альфа-частиц на лист очень тонкой золотой фольги. Он выбрал золото, потому что из него можно получать листы толщиной всего 0,00004 см. За листом золотой фольги он поставил экран, который светился, когда альфа-частицы ударяли в него. Его использовали для обнаружения альфа-частиц после их прохождения через фольгу. Небольшая прорезь в экране позволяла лучу альфа-частиц достичь фольги после выхода из источника. Часть из них должна пройти сквозь фольгу и продолжать двигаться в том же направлении, другая их часть должна отскакивать от фольги и отражаться под острыми углами. Вы можете увидеть схему эксперимента на рисунке ниже.

Что же получилось в опыте Резерфорда?

Исходя из модели атома Дж. Дж. Томсона, Резерфорд предполагал, что сплошные области положительного заряда, заполняющие весь объем золотых атомов, будут отклонять или сгибать траектории всех альфа-частиц, когда они проходят через фольгу.

Однако подавляющее большинство альфа-частиц прошло прямо через золотую фольгу, как будто ее и не было. Казалось, они проходят через пустое пространство. Лишь немногие из них отклоняются от прямого пути, как и предполагалось вначале. Ниже приведен график зависимости количества частиц, рассеянных в соответствующем направлении, от угла рассеяния.

Удивительно, но крошечный процент частиц возвращался от фольги, как баскетбольный мяч отскакивает от щита. Резерфорд понял, что эти отклонения были результатом прямого столкновения между альфа-частицами и положительно заряженными компонентами атома.

Ядро занимает центральное место

Исходя из ничтожного процента отразившихся от фольги альфа-частиц, можно сделать вывод, что весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены в одной маленькой области, а в остальной части атома в основном находится пустое пространство. Резерфорд назвал площадь концентрированного положительного заряда ядром. Он предсказал и вскоре обнаружил, что оно содержит положительно заряженные частицы, которые он назвал протонами. Резерфорд предсказал существование нейтральных атомных частиц, называемых нейтронами, но он не смог обнаружить их. Тем не менее его ученик Джеймс Чедвик открыл их через несколько лет. На рисунке ниже показана структура ядра атома урана.

Атомы состоят из положительно заряженных тяжелых ядер, окруженных вращающимися вокруг них отрицательно заряженными чрезвычайно легкими частицами-электронами, причем на таких скоростях, что механические центробежные силы просто балансируют их электростатическое притяжение к ядру, и в этой связи якобы обеспечивается стабильность атома.

Недостатки этой модели

Основная идея Резерфорда относилась к идее малоразмерного атомного ядра. Предположение об орбитах электронов было чистой гипотезой. Он не знал точно, где и как электроны вращаются вокруг ядра. Поэтому планетарная модель Резерфорда не объясняет распределение электронов на орбитах.

Кроме того, стабильность атома Резерфорда была возможна только при непрерывном движении электронов по орбитам без потерь кинетической энергии. Но электродинамические расчеты показали, что движение электронов по любым криволинейным траекториям, сопровождающееся изменением направления вектора скорости и появлением соответствующего ускорения, неизбежно сопровождается излучением электромагнитной энергии. При этом, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия электрона должна очень быстро израсходоваться на излучение, и он должен упасть на ядро, как схематически показано на рисунке ниже.

Но этого не происходит, так как атомы являются стабильными образованиями. Возникло типовое для науки противоречие между моделью явления и опытными данными.

От Резерфорда к Нильсу Бору

Следующий крупный шаг вперед в атомной истории произошел в 1913 году, когда датский ученый Нильс Бор опубликовал описание более детальной модели атома. Она определяла более четко места, где могут находиться электроны. Хотя позже ученые будут развивать и более изысканные атомные конструкции, но планетарная модель атома Бора была в основном правильной, и многое из нее принимается до сих пор. Она имела множество полезных приложений, например с ее помощью объясняют свойства различных химических элементов, характер спектра их излучений и строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились важнейшими вехами, обозначившими появление нового направления в физике - физики микромира. Бор получил Нобелевскую премию 1922 по физике за его вклад в наше понимание структуры атома.

Что же нового привнес Бор в модель атома?

Будучи еще молодым человеком, Бор работал в лаборатории Резерфорда в Англии. Поскольку в модели Резерфорда была слабо проработана концепция электронов, Бор сосредоточился именно на них. В результате была существенно доработана планетарная модель атома. Постулаты Бора, которые он сформулировал в своей статье «О строении атомов и молекул», вышедшей в 1913 году, гласят:

1. Электроны могут двигаться вокруг ядра только на фиксированных расстояниях от него, определяемых тем количеством энергии, которое у них есть. Он назвал эти фиксированные уровни энергетическими уровнями или электронными оболочками. Бор представлял их в виде концентрических сфер, с ядром в центре каждой из них. При этом электроны с меньшей энергией будут найдены на более низких уровнях, ближе к ядру. Те же из них, у кого больше энергии, будут найдены на более высоких уровнях, дальше от ядра.

2. Если электрон поглощает некоторое (вполне определенное для данного уровня) количество энергии, то он будет прыгать на следующий, более высокий энергетический уровень. И наоборот, если он потеряет такое ​​же количество энергии, то вернется назад к исходному уровню. Однако электрон не может существовать на двух энергетических уровнях.

Эта идея иллюстрируются рисунком.

Энергетические порции для электронов

Модель атома Бора на самом деле является сочетанием двух различных идей: атомной модели Резерфорда с электронами, вращающимися вокруг ядра (по сути это планетарная модель атома Бора-Резерфорда), и идеи немецкого ученого Макса Планка о квантовании энергии вещества, опубликованной в 1901 году. A квант (во множественном числе - кванты) является минимальным количеством энергии, которая может быть поглощена или излучена веществом. Он является своего рода шагом дискретизации количества энергии.

Если энергию сравнить с водой и вы хотите добавить ее к материи в виде стакана, вы не можете просто залить воду непрерывной струей. Вместо этого вы можете добавить ее в небольших количествах, например, по чайной ложке. Бор считал, что если электроны могут поглощать или терять только фиксированные количества энергии, то они должны варьировать свою энергию только этими фиксированными количествами. Таким образом, они могут занимать только фиксированные энергетические уровни вокруг ядра, которые соответствуют квантованным приращениям их энергии.

Так из модели Бора вырастает квантовый подход к объяснению, что же из себя представляет строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились своеобразными ступенями от классической физики к квантовой, являющейся основным инструментом в физике микромира, включая и атомную физику.