Модели атома Томсона и Резерфорда. Изучение спектров изолированных атомов показало, что атомы имеют внутреннее строение

Изучение спектров изолированных атомов показало, что атомы имеют внутреннее строение. К тому времени были уже известны отрицательно заряженные частицы – электроны и положительно заряженные частицы – протоны. Причем масса протона во много раз больше массы электрона, а заряд равен заряду электрона. Исходя из этого, Дж.Томсон в 1903 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка м, внутри которого распределены электроны, которые колеблются около своих положений равновесия. Заряд положительной сферы равен суммарному заряду электронов, поэтому атом в целом нейтрален.

Для подтверждения или опровержения данной гипотезы необходимо было провести эксперименты по прямому зондированию атомов. Такие опыты были выполнены Э.Резерфордом. В его распоряжении были естественные радиоактивные вещества, которые излучали частицы высоких энергий, в частности -частицы. -частицы – это двукратно ионизированный атом гелия, т.е. атом гелия, у которого выбито два электрона. Соответственно, -частица имеет заряд, равный двум положительным зарядам электрона.

Э.Резерфорд исследовал прохождение -частиц через золотую фольгу (рис.13). Вокруг фольги располагался экран из сернистого цинка. При попадании -частицы на этот экран она давала вспышку света – сцинциляцию (поэтому такие экраны называются сцинциляционными экранами), которая регистрировалась с помощью зрительной трубы .

Положение экрана и зрительной трубы могло быть установлено под любым углом к направлению распространения пучка -частиц. Тем самым можно было подсчитать число -частиц, распространяющихся под разными углами . Скорость -частиц имеет величину порядка м/с.

Рис.13. Схема опыта Э.Резерфорда

Эксперименты дали совершенно неожиданные результаты. Оказалось, что некоторое количество -частиц рассеивается на очень большие углы (). Столь сильное отклонение -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создаётся зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированном в малом объёме.

Основываясь на этих результатах, английский физик Э.Резерфорд предложил в 1911 году ядерную (планетарную) модель атома.

Согласно предположению Э.Резерфорда атом представляет собой систему, подобную солнечной системе. В центре находится положительно заряженное ядро, заряд которого равен , а вокруг него вращаются электронов по орбитам. При этом вся масса атома практически сосредоточена в его ядре.

Электрон должен вращаться вокруг ядра, чтобы система была устойчивой. Ядро имеет размеры, не превосходящие м, а размеры атома м.

Отклонения -частиц обусловлены воздействием на них ядер. Заметного отклонения из-за взаимодействия с электронами не может быть, поскольку масса электрона на четыре порядка меньше массы -частицы.

Расстояние от ядра до первоначального направления полёта называется прицельным параметром. Чем ближе частица пролетает от ядра, тем сильнее отклоняется.

Казалось бы, результаты опыта подтверждают планетарное строение атома, но здесь возникает другое «но». Электрон, вращаясь вокруг ядра по круговой орбите, обладает центростремительным ускорением, а если он обладает ускорением, то согласно законам классической электродинамики, он должен излучать электромагнитные волны, т.е. терять энергию. А если он будет терять энергию, радиус его орбиты будет уменьшаться, и он в конце концов упадет на ядро. В действительности же атом, как известно, представляет собой чрезвычайно устойчивую систему.