Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

1-ая попытка сотворения модели атома на базе скопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом приблизительно равным 10–10 м. Положительный заряд атома умеренно распределен по всему объему шара, а негативно заряженные электроны находятся снутри него (рис. 9.1.1). Для разъяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пробовал найти размещение электронов в атоме и высчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Но эти пробы не увенчались фуррором. Через пару лет в опытах величавого британского физика Э. Резерфорда было подтверждено, что модель Томсона неверна.

Модель атома Дж. Томсона 1
Набросок 9.1.1. Модель атома Дж. Томсона.

1-ые прямые опыты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома при помощи α-частиц, которые появляются при радиоактивном распаде радия и неких других частей. Масса α-частиц примерно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному простому заряду. В собственных опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но она все таки существенно меньше скорости света). α-частицы – это стопроцентно ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при исследовании явления радиоактивности. Этими частичками Резерфорд бомбил атомы томных частей (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут приметно поменять линию движения α-частицы. Рассеяние, другими словами изменение направления движения α-частиц, может вызвать только томная положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 9.1.2.

Схема опыта Резерфорда 2
Набросок 9.1.2. Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на узкую железную фольгу. Рассеянные частички попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных сиять под ударами стремительных заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на дисплее наблюдались глазом при помощи микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под разными углами φ к начальному направлению пучка. Было найдено, что большая часть α-частиц проходит через узкий слой металла, фактически не испытывая отличия. Но маленькая часть частиц отклоняется на значимые углы, превосходящие 30°. Очень редчайшие α-частицы (примерно одна на 10 тыщ) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот итог был совсем внезапным даже для Резерфорда.

Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком рассредотачивании положительный заряд не может сделать сильное электронное поле, способное откинуть α-частицы вспять. Электронное поле однородного заряженного шара очень на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если б радиус шара, в каком сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то наибольшая сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Как следует, при довольно большенном значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на огромные углы прямо до 180°. Эти суждения привели Резерфорда к выводу, что атом практически пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд именовал атомным ядром. Так появилась ядерная модель атома. Рис. 9.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рассеяние ?-частицы в атоме 3
Набросок 9.1.3. Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

Таким макаром, опыты Резерфорда и его служащих привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, поперечник которого не превосходит 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и более 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Потом удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Конструктивные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых колебаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты собственных исследовательских работ только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых тестов. Делая упор на традиционные представления о движении наночастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома размещается положительно заряженное ядро, в каком сосредоточена практически вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планеткам, крутятся под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 9.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, потому что они свалились бы на ядро.

Планетарная модель атома Резерфорда. 4
Набросок 9.1.4. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны радиальные орбиты 4 электронов.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, непременно явилась большим шагом в развитии познаний о строении атома. Она была совсем нужной для разъяснения опытов по рассеянию α-частиц. Но она оказалась неспособной разъяснить сам факт долгого существования атома, другими словами его устойчивость. По законам традиционной электродинамики, передвигающийся с ускорением заряд должен источать электрические волны, уносящие энергию. За куцее время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и свалиться на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, указывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются традиционным законам.