Ядерная модель атома

​

Теперь я знаю, как выглядит атом!

Э.   Резерфорд

Из идеи движения электронов, подобного движению планет, возникла атомная физика.

М. Планк

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон. Существование в веществе электронов наводило на мысль, что эти отрицательно заряженные час­тицы входят в состав нейтральных атомов. Но отсюда следовало, что в атоме долж­ны находиться и положительно заряженные частицы. Как расположены заря­женные частицы внутри

атома?

В 1903 г. Дж. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой

положительно заряженная часть атома является равномерно заряженным

шаром.

В этот шар «вкраплены» электроны в таком количестве, чтобы атом в

целом был нейтральным (рисунок 8.1). Эта модель полу­чила шутливое

название «пудинг-модель поскольку элек­троны в ней были уподоблены

изюминкам в пудинге.

Для подтверждения правильности этой модели не­обходимо было провести

опытное исследование рас­пределения заряда внутри атома.

Такое исследование в 1911 г. было осуществлено Э. Резерфордом и его

сотруд­никами с помощью а-частиц.

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные частицы с

зарядом +2е и массой, при­близительно в 4 раза большей, чем масса атома

водо­рода. Скорость а-частиц достигает порядка 107 м/с.

С помощью таких частиц, обладающих достаточно боль­шими энергиями, «простреливали» металлическую фольгу и изучали рассеяние а-частиц, т. е. их отклоне­ние от первоначального направления движения.

Альфа-частицы испускались источником 1, поме­щенным внутри полости с каналом 2, сделанным в куске свинца (рисунок 8.2). Все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пу­чок а-частиц попадал на метал­лическую фольгу 3 перпендику­лярно ее поверхности. Прошедшие сквозь фольгу а-частицы при столк­новении с полупрозрачным экра­ном 4 вызывали вспышки света, которые наблюдались в микроскоп 5. Условия эксперимента обеспечива­ли достаточный вакуум в пространстве между фольгой и экраном, чтобы не происходило дополнительного рассеяния а-частиц в воздухе. 

Было обнаружено, что почти все а-частицы, прошедшие сквозь фольгу, со­храняли прежнее направление своего движения или отклонялись на малые углы. Однако некоторые а-частицы отклонялись на большие углы (почти до 180°).

Э.  Резерфорд по этому поводу говорил, что это было «невероятно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и попал в вас».

Этому неожиданному факту надо было дать объяснение. Резерфорд пред­положил, что это возможно, если весь положительный заряд внутри атома сосредоточен в его ядре — области, занимающей весьма малый объем по срав­нению со всем объемом атома. Электроны движутся вокруг ядра, иначе они упали бы на ядро. Полный отрицательный заряд электронов равен положи­тельному заряду ядра (рисунок 8.3). Эта модель атома Резерфорда напоминает Сол­нечную систему: в центре находится «солнце» — ядро, а вокруг него по орби­там движутся «планеты» — электроны. Поэтому модель получила название планетарной. Согласно этой модели ядро имеет линейные размеры порядка 1015—10'14 м, вокруг ядра в области размером 10 10 м по орбитам движутся электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. С помощью пла­нетарной модели атома были объяснены результаты опыта по рассеянию а-частиц. Почти все а-частицы проходят сквозь вещество практически не отклоняясь, так как большая часть пространства атома пуста (рисунок 8.4). Альфа-частицы, которые встречаются с электронами на своем пути в фольге,

также практически не рассеиваются, и только немногие а-частицы — те, которые проходят вблизи от ядра, ис­пытывают значительные отклонения под действием элек­трического поля ядра.

Таким образом, на основе планетарной модели можно было

объяснить результаты опытов по рассеянию а-частиц. Однако объяснить стабильность атомов не удавалось.

Рассмотрим простейший атом — атом водорода, состоя­щий из ядра — протона и одного электрона (рисунок 8.5).

Движение электрона в атоме по замкнутой орбите проис­ходит с ускорением. В соответствии с классической электродинамикой это дви­жение электрона должно было сопровождаться излучением электромагнитных волн, в результате чего энергия электрона в атоме непрерывно уменьшалась бы. Электрон стал бы приближаться к ядру по спирали и должен был упасть на него, причем это произошло бы за 10 8 с. Однако атом стабилен. Следовательно, планетарная модель атома противоречила законам классической физики.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Какие опыты проводились Резерфордом и его сотрудниками по изучению структуры атома?

2. В чем заключается неожиданность результатов, полученных в опытах по рассеянию а- частиц?

3. Какая модель строения атома была предложена Резерфордом?

4. В чем заключались противоречия модели строения атома Резерфорда с законами классической физики?

5. Чему равен полный отрицательный заряд электронов?

​

​