Планетарная модель атома

Резерфорд со своими учениками Г. Гейгером и Э. Марсденом начали исследования внутренней структуры атома с использованием α-частиц. Метод заключался в измерении зависимости числа частиц, рассеянных атомами золотой фольги (золотая фольга легко расплющивалась, что позволяло сделать ее очень тонкой ~ 0.4 мкм) под различными углами (рис. 12.6). В случае правильности модели Томсона, эти углы не должны быть большими, так как электроны, располагающиеся внутри атома много легче α-частиц. В экспериментах частицы попадали на экран, покрытый зернистым цинком. При ударе α-частиц об экран можно было наблюдать, рассматривая его в микроскоп, слабые вспышки (сцинтилляции). Микроскоп с экраном поворачивались вокруг вертикальной оси, что позволяло измерить их число под разными углами. В результате экспериментов, выполненных в конце 1910 года, оказалось, что большинство частиц рассеивались под малыми углами (1 - 2 градуса). Небольшая часть частиц рассеивалась на углы больше 2 градусов, а одна из 20000 частиц на углы 90 градусов и более. Это сильно противоречило модели Томсона, согласно которой атом представлялся рыхлым и не мог быть причиной отклонения частиц назад.

По мнению Резерфорда, такое могло наблюдаться только в случае если положительно заряженные α-частицы сталкиваются с массивным ядром, имеющим маленькие размеры по сравнению с размерами атома. Скорее всего, атом напоминает Солнечную систему, где вместо Солнца располагается ядро, а вместо планет – электроны. Размеры ядра по оценкам Резерфорда составляли около метра. Оказалось, что атом, в основном, пустой. Размеры ядра в 10000 – 100000 раз меньше размеров атома.

а)

б)

Рис. 12.6. Схема опытов Резерфорда (а), и модель атома Резерфорда (б).

Резерфорд предложил планетарную модель атома, положения которой заключались в следующем:

а) атом пустой и состоит из расположенных в его центре ядра и вращающихся вокруг него электронов;

б) размеры ядра в десятки тысяч раз меньше размеров атома, а его масса составляет более 99.9% массы атома;

в) атом нейтрален, заряд его ядра составляет +Zе, а вокруг него вращается Z электронов. Модель оказалась простой и изящной. Она объяснила рассеяние частиц на большие углы и назад.

Резерфорд стал первым человеком, который догадался о структуре строения атома[8].

Резерфорд экспериментально измерил заряд ядра. Для этого он, используя теорию движения частиц в центральном поле и методы математической статистики, вывел формулу[9], описывающую распределение частиц по углу рассеяния θ:

(12.3.1)

где - число α- частиц, рассеянных на угол θ в пределах телесного угла ; - число частиц, падающих на поверхность перпендикулярно направлению их движения; n- концентрация атомов вещества в единице объема; d- толщина фольги; m и v - масса и скорость частицы.

Чедвик, сотрудник Резерфорда, экспериментально исследовал величину:

= const (12.3.2)

Анализируя результаты этих опытов, Ван-ден-Брук установил, что зарядовые числа Z у ядер атомов химических элементов совпадают с порядковыми номерами этих элементов в таблице Менделеева. Тем самым был установлен физический смысл порядкового номера химического элемента. Стало понятно, почему химические элементы таблицы Менделеева расположены в порядке возрастания заряда ядра на единицу. У атомов на единицу возрастает заряд ядра и становится больше на один электрон.

Планетарная модель атома Резерфорда явилась значительным шагом на пути к современным представлениям о строении атома. Однако она не была совершенной моделью. Любая частица движется по окружности с ускорением, а, следовательно, как установлено в классической электродинамике, излучает. Энергия излучения пропорциональна квадрату ускорения . Раз электрон излучает, он теряет энергию, а, следовательно, его радиус должен уменьшаться. Тогда он бы упал на протон, чего быть не должно. Кроме того, с уменьшением радиуса вращения электрона должна изменяться и частота его вращения вокруг атома. Поэтому спектр атома должен быть непрерывным, а не дискретным. Дискретные спектры атома водорода свидетельствовали о необходимости попробовать применить идею квантов, предложенную Планком и использованную Эйнштейном при объяснении фотоэффекта.

Полученное противоречие попытался решить Бор в предложенной им модели атома.

Дата добавления: 2014-01-06