Модели атома. Опыт Резерфорда

До конца XIX в науке господствовало убеждение, что атомы являются неделимыми частицами материи, "кирпичиками " мироздания.

Важнейшими событиями в науке, от которых берет начало атомная физика, были:

1) открытие электрона в 1897г.;

2) открытие явления радиоактивности.

эти открытия показали, что нейтральный атом является сложной системой электрически заряженных частиц; во всех атомах имеются электроны; положительный заряд связан с основной массой атома, но о распределении его внутри атома сведений не было.

Первые попытки создания модели атома на основе накопленных сведений принадлежат английскому физику Джозефу Томсону (1903г.).

В рамках этой модели положительный заряд считался равномерно распределенным в некотором небольшом объеме сферической формы, а электроны вкраплены в этот заряд подобно изюму в булочке. Когда атом Томсона возбуждался, например, в пламени свечи, колебаться начинали только легкие электроны и атом излучал эл.-м. волны, соответствующие их частоте колебаний. Таким путем Томсон хотел в рамках своей модели обеспечить линейчатый спектр атома.

Для выяснения характера распределения положительных и отрицательных зарядов в атоме было необходимо непосредственное опытное "зондирование" внутренних областей атома, которое осуществили сотрудники Резерфорда Гейгер и Мардсен с помощью -частиц, наблюдая изменение направления их полета при прохождении через тонкие слои вещества. - частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия:

, где , , .

Они выбрасываются с огромной скоростью некоторыми веществами при радиоактивном распаде. В качестве мишени использовалась золотая фольга, толщина которой соответствовала ~400 атомам, так что соударения - частиц с атомами золота можно было условно считать единичными.

Опыт осуществлялся следующим образом (рис. 1): - частицы, испущенные радиоактивным полонием Ро, выходили из свинцового (Pb) контейнера узким пучком и при прохождении через золотую фольгу Ф отклонялись от первоначального направления на различные углы .

Рассеянные - частицы ударялись об экран э, покрытый сернистым цинком, и вызываемые ими сцинтилляции наблюдались микроскопом М. Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр рассеивающей фольги.

Результаты опыта:

1) подавляющее число - частиц отклоняется на малые углы;

2) примерно одна из 2·10⁴ частиц отклоняется на угол ;

3) некоторые частицы отклоняются на угол .

На основании этих результатов Резерфорд пришел к выводу, что сильные отклонения - частиц возможны только если внутри атома имеется заряд, связанный с массой, сконцентрированной в очень малом объеме. В 1911г. Резерфорд предложил ядерную модель атома.

Расчет Резерфорда для оценки размеров ядра: если - частица сталкивается "в лоб" с атомом золота и отлетает обратно, она на мгновение останавливается, прежде чем двинуться обратно. В точке поворота её кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную.

, ,

где - потенциал на поверхности положительного ядра,

, где - положительный заряд атома золота,

,

, ; ; ; .

Поскольку размер атома ~ 10^-10 м, размер ядра на 4 порядка меньше размеров самого атома (рис. 2).

Согласно Резерфорду, атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом , размером ~ 10^{-14 м, вокруг которого по орбитам движутся электронов.}

Модель Резерфорда явилась существенным шагом вперед, поскольку представляла атом как динамическую систему движущихся электрических зарядов. Однако она оказалась неустойчивой с точки зрения классической электродинамики и противоречила опытным данным: вращающийся по орбите электрон должен изучать эл.м. волны (как заряд, движущейся с центростремительным ускорением) с частотой, равной частоте его вращения, терять энергию, приближаясь к ядру и увеличивая частоту вращения и, в конце концов, упасть на ядро. Следовательно, за с атом должен перестать существовать и спектр его излучения должен быть сплошным. Однако атом – устойчивое образование, а спектр атома – линейчатый.

Дата добавления: 2014-01-04