Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

Вам уже известно, что исследования спектров излучения разрежённых газов (то есть спектров излучения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ вполне определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп близко расположенных линий. Эти линии являются своеобразным ключом к пониманию внутреннего строения атома, так как излучение и поглощение света атомами есть результат внутриатомных процессов, то есть процессов, в которых могут принимать участие только частицы, входящие в состав атома. Но вот что такое атом?

Мы знаем, что атомы представляют собой достаточно прочные системы, несоизмеримо более устойчивые, чем составленные из них молекулы. А такие внешние воздействия, как нагрев, изменение давления, мощные электрические разряды приводят лишь к незначительным изменениям атомов: они могут ионизоваться. Поэтому до конца XIX века атомы считали простейшими неделимыми частицами вещества. Однако, как вы уже знаете, открытия, совершённые в конце XIX — начале ХХ века, перевернули в физике всё с ног на голову. В частности, французским физиком Антуаном Анри Беккерелем было открыто явление естественной радиоактивности некоторых веществ. А в 1896 году англичанин Джозеф Томсоном открыл электрон.

Явление радиоактивности, то есть самопроизвольное излучение веществом альфа-, бета- и гамма-излучений, наряду с другими экспериментальными фактами, послужило основанием для предположения о том, что атомы вещества имеют сложный состав.

А опыты Эрнеста Резерфорда по исследованию радиоактивного излучения показали, что в его состав входят положительно и отрицательно заряженные частицы. Поэтому естественно было предположить, что эти частицы входят в состав атомов.

На основании этих данных Томсон для попытки объяснения открытых к тому моменту новых экспериментальных фактов предложил одну из первых моделей атома. В статье, опубликованной в марте 1904 года, Томсон рассмотрел три правдоподобные (по его мнению) варианта возможного строения атома, объясняющие его электрическую нейтральность и другие свойства. Однако тут же в статье учёный говорит о том, что наиболее вероятно строение атома по третьей модели. Томсон писал: «…атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд…».

То есть по Томсону, атом состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий электрически отрицательные заряды электронов, образно — подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге». Именно поэтому модель атома Томсона была названа «Пудинговой».

В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцевым орбитам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами. А линейчатые спектры объясняли разницей энергий при движении электронов по разным кольцевым орбитам.

Используя модель атома Томсона, можно было объяснить ряд известных к тому времени физических явлений, таких как электризация, электрическая проводимость твёрдых тел, жидкостей и газов. Но в то же время она имела ряд существенных недостатков. Во-первых, она не могла объяснить наличие большого числа линий в спектрах атомов. Во-вторых, модель не позволяла объяснить спектральные закономерности в спектре атома водорода. Но самый главный фактор, заставившим отказаться от модели Томсона, состоял в том, что «Пудинговая модель» оказалась в полном противоречии с опытами Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена под руководством Эрнеста Резерфорда, проведёнными в тысяча 1909 году.

Суть опыта была достаточно проста. Резерфорд с помощниками брали свинцовый сосуд, внутри которого находился радиоактивный элемент, испускающий через узкое отверстие в сосуде альфа-частицы (ионизированные атомы гелия, масса которых примерно в 8000 раз больше массы электрона).

Скорость вылетающей альфа-частицы была очень велика — порядка 1/15 скорости света. Для регистрации этих самых частиц учёный использовал сцинтилляционный экран с микроскопом. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через центр камеры. Чтобы устранить рассеяние альфа-частиц на молекулах воздуха, установка помещалась внутрь герметичной камеры, в которой создавался высокий вакуум.

Если на пути частиц нет никаких препятствий, то они попадали на экран узким пучком. А возникающие вспышки сливались в одно небольшое световое пятно. Однако когда учёные поместили на пути альфа-частиц тонкую золотую фольгу, то при взаимодействии с ней, площадь пятна увеличилась. Это свидетельствовало о рассеянии альфа-частиц на атомах золота.

Однако самое удивительное произошло тогда, когда экран был поставлен с обратной стороны (говорят, что в результате ошибки лаборанта). Даже в этом случае на экране наблюдались вспышки, то есть альфа-частицы рассеивались на углы больше 90°. Такой результат предвидеть было очень сложно, поскольку расчёты говорили о том, что электрическое поле положительного заряда, распределённого по всему атому, не может быть достаточно сильным, чтобы отбросить альфа-частицу назад. А так как масса электрона почти в 8000 раз меньше массы альфа-частицы, то и они не могли существенно поменять траекторию движения последней. При этом резкие отклонения наблюдались весьма редко (примерно одна из 20 000 альфа-частиц испытывала отклонение на угол больше 90°; одна из 40 000 — на угол больше 120°, и одна из 70 000 — на угол больше 150°).

Легенда гласит, что Резерфорд выбежал из лаборатории с криком: «Теперь я знаю, как устроен атом!»

Из результатов экспериментов следовало то, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объёме. Название «ядро» для этого заряда было предложено Резерфордом. Размер ядра мал, но в нём сосредоточена практически вся масса атома — около 99,96 %. При сближении альфа-частицы и ядра в соответствии с законом Кулона между ними возникают большие силы отталкивания, которые существенно изменяют траекторию альфа-частиц.

На основании своих опытов Резерфорд смог оценить размеры атома и его ядра. Выяснилось, что диаметр ядра составляет порядка 10^–14 — 10^–15 м. В то время как диаметр атома составляет порядка 10^–10 м. В 1911 году все эти данные привели Резерфорда к созданию ядерной модели атома.

Согласно этой модели в центре атома расположено положительно заряженное ядро, диаметром около 10^–15 м, в котором сосредоточена основная масса атома. Заряд ядра равен произведению порядкового номера элемента в таблице Менделеева и модулю заряда электрона:

Ядро атома окружают электроны, образуя электронную оболочку атома. Причём число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, а их суммарный заряд равен заряду ядра. Именно поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Внутри атома электроны не могут покоиться, так как под действием кулоновских сил они упали бы на ядро, и атом прекратил бы своё существование. Поэтому они вращаются вокруг ядра по определенным орбитам.

Такую модель атома называют также планетарной, поскольку она напоминает нашу Солнечную систему, где планеты вращаются вокруг массивного центра — Солнца, масса которого составляет около 99,87 % массы всей Солнечной системы.

При всей своей убедительности модель атома Резерфорда оказалась внутренне противоречивой. По законам электродинамики движущийся ускоренно заряд излучает электромагнитные волны. Следовательно, атом должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Излучение же связано с уменьшением энергии электрона в поле ядра. Следствием этого должно явиться уменьшение скорости движения и частоты вращения электронов вокруг ядра. Если частота непрерывно изменяется, то спектр излучения атома должен быть сплошным. Уменьшение скорости электрона должно привести к тому, что электрон будет двигаться по спирали к ядру и в течение короткого времени упадёт на него. То есть в этой модели атом должен быть неустойчивым.

Это находится в полном противоречии с экспериментальными фактами, которые свидетельствуют о том, что:

атом является достаточно устойчивой системой;

атом излучает электромагнитные волны лишь при определенных условиях, а не непрерывно;

а спектры излучения атомов являются линейчатыми.

Эти противоречия возникли потому, что к электронам в атомах применяли законы классической физики, а, как мы уже с вами знаем, в микромире действуют свои законы, отличные от законов макромира.

В 1903 году Эрнест Резерфорд и его помощник, английский химик Фредерик Содди, обнаружили, что в результате альфа-распада радиоактивный радий превращается в новый химический элемент — радон. При этом оба химических элемента не имеют ничего общего друг с другом: радий — это металл, который при нормальных условиях находится в твёрдом состоянии, а радон — это инертный газ. Помимо этого, атомы обоих элементов имеют разную массу, заряд ядра и количество электронов в электронной оболочке. Плюс ко всему, они по-разному вступают в химические реакции.

Вскоре опыты, проведённые с другими радиоактивными элементами, показали, что не только при альфа-излучении, но и при бета-распаде происходит превращение одного химического элемента в другой. Однако механизм обоих превращений не был понятен. Лишь после того, как Резерфордом была предложена ядерная модель атома, стало понятно, что именно ядро претерпевает изменения при радиоактивных превращениях.