Модели атома Томсона и Резерфорда

1. Согласно классическим представлениям атом мог бы испускать монохроматическую волну в том случае, когда электрон в атоме совершает гармонические колебания и следовательно, удерживается около положения равновесия квазиупругой силой , где - вектор смещения электрона от равновесного положения.

В 1903 году Томсон предложил первую модель строения атома, называемую моделью пудинга. Согласно этой модели атом представляет собой равномерно заряженную каплю положительно заряженной жидкости, внутри которой расположены, как изюминки в пудинге, отрицательно заряженные электроны. Суммарный электрический заряд такой системы равен нулю, т.е. атом электрически нейтрален.

Внутри равномерно заряженного шара с объемной плотностью , где - заряд шара, - его радиус, напряженность поля определяется формулой

,

где - радиус-вектор, проведенный из центра сферы в произвольную точку внутри шара. Следовательно, на электрон, находящийся на расстоянии от центра шара, будет действовать сила

.

Электрон, выведенный из положения равновесия, будет совершать колебания на частоте

.

Этим соотношением можно воспользоваться для оценки размеров атома водорода ()

.

Длине волны соответствует частота . Поэтому для атома водорода получается значение , что по порядку величины совпадает с газокинетическими размерами атома.

Но данная модель не смогла объяснить спектральный состав излучения. По классическим представлениям можно было объяснить появление в спектре излучения гармоник на частотах, кратных основной . Но частоты излучения атома не подчиняются такому закону, а подчиняются принципу Ритца.

В дальнейшем выяснилась полная несостоятельность такой модели, так что она имеет только исторический интерес как одно из звеньев на пути развития представлений о строении атома.

2. Распределение положительных и отрицательных электрических зарядов внутри атома можно выяснить, производя опытное зондирование внутренних областей атома. Такое зондирование впервые провел Ленард с помощью пучка электронов и убедился, что атом, имея размеры порядка внутри является прозрачным для пронизывающих его частиц. Однако окончательное доказательство этого факта и создание планетарной модели атома было дано Резерфордом в 1911 году. Его сотрудники Гейгер и Марсден изучали рассеяние -частиц, испускаемых радиоактивным источником. Эти -частицы обладают большой кинетической энергией и движутся с большими скоростями порядка . В их опытах пучок -частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею.

Рассеянная -частица при ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка оставляла на нем вспышку света (сцинтилляцию). Отдельные сцинтилляции можно наблюдать в темноте через лупу или микроскоп. экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций.

Подавляющее число -частиц рассеивалось на небольшие углы порядка . Угловое распределение таких частиц хорошо описывается кривой случайных ошибок Гаусса. Однако наблюдались также отдельные -частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до . Относительное число таких частиц было ничтожно мало. Тем не менее, Резерфорд посчитал, что такие большие отклонения -частиц невозможно объяснить накоплением множества случайных отклонений.

Резерфорд посчитал, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия практически точечного силового центра с близко пролетающей -частицей. Резерфорд предположил, что таким силовым центром является ядро атома, в котором сосредоточена вся масса атома, имеющее положительный заряд. Немного раньше Резерфорд показал, что -частицы представляют собой ядра атомов гелия. ( -частицу можно получить двукратной ионизацией атома гелия). Электростатическое взаимодействие между двумя ядрами и вызывает рассеяние -частиц на большие углы.

В результате анализа этих экспериментов Резерфорд и предложил в качестве гипотезы планетарную модель строения атома. В центре атома находится массивное положительно заряженное ядро с зарядом , а вокруг ядра на больших расстояниях от него движется легких электронов. Атом в целом электрически нейтрален.

Дата добавления: 2014-11-29