Представления о строении атома. Опыты Резерфорда

Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10^‑8 см. Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 году Э. Резерфордом, который изучал рассеяние α-частиц при прохождении через тонкую фольгу. Альфа-излучение образуется при естественном радиоактивном распаде некоторых тяжелых элементов и представляет собой положительно заряженные частицы с зарядом 2e и массой приблизительно в четыре раза большей, чем масса атома водорода. Энергии α-частиц, испускаемых различными радиоактивными элементами, имеют порядок 10⁶-10⁷ эВ. С помощью таких частиц, обладающих достаточно большими энергиями, резерфорд со своими сотрудниками Х. Гейгером и Э. Марсденом зондировал вещество – «простреливал» металлическую фольгу.

Опыты, проведенные в лаборатории Резерфорда показали, что наряду с подавляющим большинством α-частиц, отклоняющихся весьма незначительно от своего первоначального направления, имелись α-частицы, которые при прохождении через тонкие листы фольги резко отклонялись на весьма большие углы порядка 135-150 °С. Угловое распределение α-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10^-12 см.

Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10^-12 см и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Статическая модель атома, в которой электроны были бы неподвижны, физическим бессмысленна. В результате действия кулоновских сил притяжения электроны сразу же упали бы на ядро. Чтобы этого не произошло, электроны должны двигаться по орбитам, зависящим от энергии электронов. Ядерная модель атомов Резерфорда внешне очень напоминает Солнечную систему: в центре системы находится «солнце» ‑ ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» ‑ электроны. Поэтому данную модель часто называют планетарной. Орбиты электронов в атоме стационарны; атому свойственна исключительная устойчивость, о чем в частности свидетельствуют оптические линейчатые спектры атомов, отличающиеся определенным для всех атомов данного элемента расположением линий.

Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10^‑8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы.

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были излучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро.

Скорость электрона на круговой орбите (в классической модели атома), с радиусом r ≈10^‑10 м должна быть порядка v = 10⁶ м/c (Это следует из формулы m_ev²/r = e²/(4πε₀r²), а центростремительное ускорение a = v²/r – порядка 10²² м/с. Такой ускоренно движущийся электрон ведет себя как вибратор, колеблющийся с большой частотой; он излучает электромагнитные волны.

Согласно классическим представлениям, это излучение (и связанная с ним потеря электроном энергии) происходит непрерывно. Поэтому электрон не удерживается на круговой орбите – он по спирали приближается к ядру, и частота его обращения вокруг ядра (а, следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) непрерывно меняется. Иными словами, электромагнитное излучение атома имеет непрерывный, а не линейчатый спектр, можно было бы избежать трудности с потерей электроном энергии на излучение, если допустить, что он движется с малыми скоростями и ускорениями, т. е. считать, что его излучение пренебрежимо мало. Однако в этом случае также неизбежно падение электрона на ядро, потому что при малых скоростях электрон не сможет удержаться на орбите такого радиуса, который соответствует реальным размерам атома.

Таким образом, применение классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Согласно классической теории должны иметь место:

а) непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и неустойчивость атома;

б) существование только непрерывного спектра, спектральных линий не должно быть.

В действительности оказывается, что:

а) атом является устойчивой системой;

б) атом излучает энергию лишь при определенных условиях;

в) излучение атома имеет линейчатый спектр, связанный со строением и свойствами его электронной оболочки.