§ 3. Строение вещества

§ 3.1. Модели атома Резерфорда

Ученых всегда интересовал вопрос – как устроена материя? Из чего состоит окружающее нас вещество? Еще древние греки предполагали, что вещественный мир состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Атомами (от древнегреческого слова «неделимое») называли самые маленькие частицы вещества, которые еще сохраняют свойства данного вещества.

Следует отметить, что в некоторых книгах под атомами, не без основания, подразумевают и молекулы, так как последние тоже удовлетворяют такому определению атома. Ведь разделив молекулу воды на атомы, мы получаем уже не воду, а отдельные атомы водорода и кислорода. Но, тем не менее, пока общепринято молекулами обозначать совокупность различных атомов.

Э то, по сути, философское определение осталось неизменным вплоть до конца XIX века. К тому периоду химические науки достигли больших успехов. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева (1869г.) позволила правильно расположить по клеточкам известные в то время 64 элемента и уточнить многие их характеристики (например, атомный вес некоторых из них). Более того, она предсказала существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства (количество открытых химических элементов перевалило за сотню: недавно российскими учеными был открыт, пока не имеющий названия, элемент №118). С открытием электрона английским физиком Дж.Дж.Томсоном (1897г.), серьезно встал вопрос о внутренней структуре атома. Сам Дж.Дж.Томсон попытался на основе накопленных экспериментальных данных создать модель атома. Факты, которые лежат в основе его модели таковы: линейные размеры атомов с различными массами приблизительно равны 10 ^-10 м, внутри них находятся отрицательно заряженные электроны, а сам атом электрически нейтрален. По этому, согласно модели Томсона, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар с определенной массой и радиусом ~10^-10м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны, суммарный отрицательный заряд которых равен положительному заряду шара. Но эксперименты Э.Резерфорда с рассеянием α-частиц (об α-частицах см. «радиоактивность»), проходящих через вещество, опровергли эту модель. Знаменитый опыт Резерфорда схематично показан на рисунке, где поток α–частиц двигаясь в в акууме и проходя сквозь золотую фольгу (толщиной около 1мкм), падал на люминесцирующий экран. Удар каждой α–частицы об экран вызывал кратковременную вспышку – сцинтилляцию, наблюдаемую в микроскоп. Если модель Томсона соответствовала истине, α–частицы не могли прорваться через толщу фольги. Но результаты опытов Резерфорда оказались неожиданным: большинство α–частиц проходит сквозь фольгу без заметных отклонения от первоначального направления, некоторые частицы отклоняются на небольшой угол и лишь незначительная часть α–частиц претерпевает сильное отклонение. Поскольку легкие электроны при взаимодействиях с тяжелыми и очень быстрыми α–частицами не могут существенно изменить их движение, естественно предполагать, что отклонение α–частиц вызвано массивными атомными ядрами, которые, согласно результатам эксперимента, занимают очень небольшой объем в атоме.

Исходя из результатов своих опытов Резерфорд 1911г. предложил ядерную (планетарную) модель строения атома¹⁹. По этой модели, весь положительный заряд и почти вся масса (>99,94%) атома сосредоточены в атомном ядре, размер которого ничтожно мал (порядка 10^-15–10^-14 м) по сравнению с размером атома (10^-10м). Вокруг ядра по замкнутым орбитам, как планеты вокруг Солнца, движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра, величина которого совпадает с порядковым номером химического элемента, равен по абсолютному значению суммарному заряду электронов.

Таким образом, атом в целом является чрезвычайно «ажурным» микрообразованием: совокупностью небольшого числа очень малых частиц вещества (ядра и электронов), расположенных в сравнительно большом объеме.