Планетарная модель атома

Немного истории

Начнем со спектроскопии. В 1859 году Г.Кирхгоф и Р.Бунзен разработали метод спектрального анализа и объяснили, в частности, происхождение четырех темных линий поглощения в спектре Солнца. Их обнаружил еще в 1814 году Й.Фраунгофер, а теперь, 45 лет спустя, было показано, что эти линии хорошо совпадают с яркими линиями в спектрах, испускаемых накаленными газами и парами различных веществ в обычных земных условиях. В 1885 году И.Бальмер опубликовал статью, в которой установил, что длины волн этих линий с хорошей точностью подчиняются формуле

\(~\lambda = k \dfrac{m^2}{m^2 — 2^2},\)

где m = 3,4,5 и 6, а k — некоторая постоянная, и могут быть приписаны водороду. Вскоре были обнаружены еще пять линий водорода, но уже в ультрафиолетовой области солнечного спектра поглощения, и их длины волн также с хорошей точностью укладывались в формулу Бальмера. Кстати, эта формула в 1890 году была переписана Ю.Ридбергом для волновых чисел:

\(~\nu^* = \dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{\nu}{c} = \dfrac 4k \left(\dfrac{1}{2^2} — \dfrac{1}{m^2} \right).\)

Коэффициент \(~\dfrac 4k\) получил название постоянной Ридберга R (по современным данным R = 10973731,77 м-1). Затем обнаружили целых три серии линий в инфракрасной области спектра атома водорода, которые тоже охватывались упомянутой формулой. И вообще, как оказалось, все пять серий линий можно описать одной формулой — формулой Бальмера — Ридберга

\(~\nu^* = R \left(\dfrac{1}{n^2} — \dfrac{1}{m^2} \right),\)

где для каждой серии число n свое: n = 1, 2, 3, 4, 5, а внутри серии число m принимает ряд значений, начиная с n + 1. Однако, фундаментального физического обоснования закономерностей линейчатых спектров в то время не было. В частности, существовавшая «пудинговая» модель атома Дж.Дж.Томсона, согласно которой отрицательно заряженные электроны, как изюминки в пудинге, были распределены в неком жидком положительно заряженном веществе, к указанным результатам не приводила.

Теперь следует вспомнить о том, что в 1900 году М.Планку для объяснения закономерностей теплового излучения пришлось выдвинуть идею о квантовой, дискретной структуре излучения и распространения света (уже имевшую, кстати сказать, к моменту рождения «экспериментальное подтверждение» — еще в 1887 году Г. Герц наблюдал внешний фотоэффект), и не забыть о явлениях, также подтверждавших сложное строение атома, — открытии Дж.Дж.Томсоном электрона, обнаружении радиоактивности и термоэлектронной эмиссии.

Что же было общим для всех этих явлений? Очевидно, то, что они не могли быть удовлетворительно объяснены, исходя из существовавших в то время представлений о строении атома. Однако (и история физики это подтверждает) накопление такого рода фактов может происходить достаточно долго, пока не произойдет «скачок» — такое событие в истории науки, которое вынесет окончательный приговор либо в пользу накопившихся фактов, либо в пользу опровергаемой ими теории. Таким «скачком» в истории атома стали опыты Резерфорда, которые легли в основу создания новой теории строения атома.

Опыты Резерфорда

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость.
Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α-частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка.
Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.
Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, — говорил Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».
В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона\[~a(1 + e^2 / 2)\]

где qα — заряд α-частицы; q — положительный заряд атома; r — его радиус; k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα-частицы.

\(~F = k \dfrac{|q_\alpha| |q|}{r^2}\) , (1)

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке 2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12—10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10 — 100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Модель — резерфорд

В соответствии с моделью Резерфорда в 1915 г. считали, что электроны движутся вокруг ядер по орбитам. Далее классическая физика постулировала, что при ускорении заряженной частицы излучается энергия. Таким образом, электроны должны постоянно испускать излучение, так как движение по кругу равносильно постоянному ускорению в новом направлении. Если электрон постоянно испускает энергию, то его орбита; должна постоянно уменьшаться, в результате чего электрон будет приближаться к ядру. В конце концов он должен упасть на ядро. В процессе уменьшения орбиты электрон должен также испускать постоянно изменяющийся непрерывный спектр излучения.

В частности, по модели Резерфорда атом водорода состоит из Солнца — протона с одной планетой — электроном. Кулоновская сила между ними убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними — точно так же как сила между Солнцем и планетой, или в системе спутник — Земля сила между Землей и спутником. В разделе 24.5 мы изучили связь и отрыв тел в таких именно системах.

Еще более серьезный изъян в модели Резерфорда становится очевидным, как только мы начнем рассматривать поведение электронов. По представлению Резерфорда, в атоме электроны движутся вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Действительно, находясь под действием кулоновской силы, они могут избежать немедленного падения на ядро, только непрерывно обращаясь вокруг него. Это движение есть ускоренное движение и поэтому должно сопровождаться испусканием электромагнитных волн.

По сравнению с прежними взглядами на строение атома модель Резерфорда была шагом вперед, так как впервые атом был представлен как система движущихся зарядов.

Во-вторых, являясь, согласно (43.4), механически устойчивой, модель Резерфорда оказалась неустойчивой с точки зрения законов классической электродинамики.

Следующий решающий шаг сделал Бор в 1913 г., подчинив модель Резерфорда законам квантовой механики с неизлучающими стационарными орбитами, отвечающими целым квантовым числам. За первым числом, определяющим радиус орбиты ( и), последовало второе ( k), определяющее эллиптичность ее, и, наконец, третье, дающее наклон плоскости орбиты к оси атома.

Второй постулат представляет собой правило для нахождения энергий разрешенных состояний атома применительно к модели Резерфорда.

Бором была предложена модель атома, принципиально новым элементом которой по сравнению с моделью Резерфорда явилось наличие особых стационарных электронных орбит.

Движущей силой в исследованиях электронной оболочки атомов было стремление объяснить их свойства, безусловно связанные с поведением электронов и необъяснимые с точки зрения модели Резерфорда, в частности, устойчивость атомов. По законам классической электродинамики электрон, двигаясь вокруг ядра, неизбежно теряет энергию. С уменьшением запаса энергии у электрона радиус его вращения должен непрерывно уменьшаться и в результате электрон должен упасть на ядро. Фактически же атом представляет собой устойчивую систему.

В следующем 1913 году Нильс БОР сделал в каком-то смысле решающий шаг, объединивший два указанных подступа к проблеме строения атома: он применил к модели Резерфорда идею Планка о квантовании.

Модель Резерфорда, описывающая атом как очень малое, но массивное положительно заряженное ядро, окруженное некоторым числом электронов, представляется в основном правильной.

Модель Резерфорда не позволяла объяснить, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают света или энергии какого-нибудь другого вида, как того требует теория электромагнитного поля, и не падают по спирали на ядро.

Модель Томсона ( 1904) — это положительно заряженная сферическая частица, внутри которой распределены электроны. Модель Резерфорда ( 1911) — планетарная ( ядерная) модель строения атома.

Согласно модели Резерфорда, электрон притягивается к ядру противоположным электрическим зарядом. Поэтому электрон должен вращаться, двигаться ( как планета) по эллиптической орбите вокруг ядра-солнца. Однако вращающийся электрон не может существовать.

Предыстория

Схема модели атома Томсона. В модели Томсона «корпускулы» (электроны) расположены внутри облака положительного заряда, а не вокруг положительно заряженного ядра.

К 1904 году японский физик Нагаока Хантаро разработал раннюю, как оказалось впоследствии, ошибочную «планетарную модель» атома («атом типа Сатурна»). Модель была построена на аналогии с расчётами устойчивости колец Сатурна (кольца уравновешены из-за очень большой массы планеты). Модель Нагаоки была неверна, но два следствия из неё оказались пророческими:

  • ядро атома действительно очень массивно;
  • электроны удерживаются на орбите благодаря электростатическим силам (подобно тому, как кольца Сатурна удерживаются гравитационными силами).

Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году на основе анализа экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в золотой фольге, проведённых в 1909 г. под его руководством.

При этом рассеянии большое, неожиданно статистически необъяснимое, количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома.

Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10−10 м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Этот вывод был сделан позже. А сам Резерфорд предположил, что заряд ядра пропорционален атомной массе. Связь электрического заряда ядра с атомным номером химического элемента установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 г.

Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения ею устойчивости атомов. Так как электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение как планеты вокруг Солнца, то они по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате «упасть» на ядро. Расчёты, выполненные с помощью методов классической электродинамики показывают, что электроны должны «упасть» на ядро за время порядка 10−11 с.

Это противоречие было снято последующим развитием планетарной модели в модели атома Бора, постулирующая другие, отличные от классических законы орбитального движения электронов на основе волн де Бройля. Полностью противоречащие эксперименту выводы классической электродинамики смогло объяснить развитие квантовой механики.

Символизм

Щит Комиссии по атомной энергии США

Согласно Нагаока, модель Резерфорда основывалась на идее множества электронов в кольцах. Однако, как только Нильс Бор изменил эту точку зрения на картину всего лишь нескольких планетоподобных электронов для легких атомов, модель Резерфорда-Бора захватила воображение публики. С тех пор он постоянно использовался как символ атомов и даже «атомной» энергии (хотя это более правильно считать ядерной энергией). Примеры его использования за последнее столетие включают, но не ограничиваются:

  • Логотип Комиссии по атомной энергии США , которая частично отвечала за его последующее использование, в частности, в отношении технологии ядерного деления .
  • Флаг Международного агентства по атомной энергии — атом Резерфорда, заключенный в оливковые ветви.
  • Логотип бейсбольной низшей лиги США Albuquerque Isotopes представляет собой атом Резерфорда с электронными орбитами, образующими A.
  • Подобный символ, атомный вихрь , был выбран в качестве символа для американских атеистов и стал использоваться как символ атеизма в целом.
  • В кодовой точке « Разные символы Юникода» U + 269B () используется атом Резерфорда.
  • В телешоу «Теория большого взрыва» в качестве логотипа используется атом Резерфорда.
  • Библиотека JavaScript React (библиотека JavaScript) использует атом Резерфорда в качестве своего логотипа.
  • На картах он обычно используется для обозначения ядерной энергетической установки.

Что такое модель атома Томсона

Модель атома Томсона — это структура атома, предложенная ученым Дж. Дж. Дж. Томсоном, который был первым человеком, открывшим электрон. Вскоре после открытия электрона была предложена атомная модель, в которой говорится, что структура атома похожа на «сливовый пудинг».

Томсоновская модель атома описывается на основе трех основных фактов:

  • Атомы состоят из электронов.
  • Электроны являются отрицательно заряженными частицами.
  • Атомы заряжены нейтрально.

Рисунок 1: модель атома Томсона

Томсон предположил, что, поскольку электроны заряжены отрицательно, а атомы заряжены нейтрально, в атоме должен быть положительный заряд, чтобы нейтрализовать отрицательный заряд электронов. Он предположил, что атом представляет собой твердую, положительно заряженную, сферическую структуру, и электроны встроены в эту сферу. Поскольку эта структура выглядит как пудинг с разбросанными на нем сливами, она была названа структурой атома из сливового пудинга. Однако эта структура была отвергнута после открытия атомного ядра.

Недостатки Томсона Модель Атома

  • Нет подробностей об атомном ядре.
  • Никаких подробностей об атомных орбиталях.
  • Никаких объяснений про протоны или нейтроны.
  • Указывает, что атом имеет равномерное распределение массы, что неправильно.

Строение атома

Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.

Одну из первых моделей строения атома — « пудинговую модель » — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.

И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.

Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.

Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

При этом электроны двигаются не по определенной орбите, как предполагал Резерфорд, а довольно хаотично. Совокупность электронов, которые двигаются вокруг ядра, называется электронной оболочкой .

А томное ядро, как доказал Резерфорд — массивное и положительно заряженное, расположено в центральной части атома. Структура ядра довольно сложна, и изучается в ядерной физике. Основные частицы, из которых оно состоит — протоны и нейтроны . Они связаны ядерными силами (сильное взаимодействие).

Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:

Протон Нейтрон Электрон
Масса 1,00728 а.е.м. 1,00867 а.е.м. 1/1960 а.е.м.
Заряд + 1 элементарный заряд — 1 элементарный заряд

1 а.е.м. (атомная единица массы) = 1,66054·10 -27 кг

1 элементарный заряд = 1,60219·10 -19 Кл

И — самое главное. Периодическая система химических элементов, структурированная Дмитрием Ивановичем Менделеевым, подчиняется простой и понятной логике: номер атома — это число протонов в ядре этого атома . Причем ни о каких протонах Дмитрий Иванович в XIX веке не слышал. Тем гениальнее его открытие и способности, и научное чутье, которое позволило перешагнуть на полтора столетия вперёд в науке.

Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов.

Атом — это на заряженная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z.

Масса атома ( массовое число A ) равна суммарной массе крупных частиц, которе входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нетрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу: M = Np + Nn

Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.

Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5

Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: Nn = M – Z.

В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.

Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:

  1. У изотопов одного элемента массовое число одинаковое или разное?
  2. У изотопов одно элемента число протонов одинаковое или разное?

Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.

Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:

3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.

4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.

Экспериментальная основа модели [ править ]

Резерфорд опроверг модель Томсона в 1911 году своим известным экспериментом с золотой фольгой, в котором он продемонстрировал, что атом имеет крошечное и тяжелое ядро. Резерфорд разработал эксперимент по использованию альфа-частиц, испускаемых радиоактивным элементом, в качестве зондов невидимого мира атомной структуры. Если Томсон был прав, луч проходил бы прямо через золотую фольгу. Большая часть лучей прошла через фольгу, но некоторые были отклонены.

Резерфорд представил свою собственную физическую модель субатомной структуры как интерпретацию неожиданных экспериментальных результатов. В нем атом состоит из центрального заряда (это современное атомное ядро , хотя Резерфорд не использовал термин «ядро» в своей статье), окруженного облаком (предположительно) вращающихся по орбите электронов . В этой статье, опубликованной в мае 1911 года, Резерфорд посвятил себя только небольшой центральной области атома с очень высоким положительным или отрицательным зарядом.

Из чисто энергетических соображений о том, как далеко частицы известной скорости смогут проникнуть к центральному заряду в 100 э, Резерфорд смог вычислить, что радиус его центрального золотого заряда должен быть меньше (насколько меньше нельзя сказать. ), чем 3,4 × 10-14 метров. Это было в атоме золота, имеющем радиус 10 -10 метров или около того — очень удивительное открытие, поскольку оно предполагало сильный центральный заряд менее 1/3000 диаметра атома.

Модель Резерфорда служила для концентрации значительной части заряда и массы атома в очень маленьком ядре, но не приписывала никакой структуры оставшимся электронам и остающейся атомной массе. В нем упоминается атомная модель Хантаро Нагаока , в которой электроны расположены в одном или нескольких кольцах, с особой метафорической структурой стабильных колец Сатурна. Модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона также имела кольца вращающихся электронов. Жан Батист Перрен утверждал в своей Нобелевской лекции что он был первым, кто предложил модель в своей статье 1901 года.

В статье Резерфорда было высказано предположение, что центральный заряд атома может быть «пропорционален» его атомной массе в единицах массы водорода u (примерно 1/2 от этой массы в модели Резерфорда). Для золота это массовое число составляет 197 (неизвестно в то время с большой точностью), и поэтому, по модели Резерфорда, оно, возможно, равно 196 u. Однако Резерфорд не пытался установить прямую связь между центральным зарядом и атомным номером , поскольку «атомный номер» золота (в то время просто номер его места в периодической таблице)) было 79, и Резерфорд смоделировал заряд примерно как +100 единиц (на самом деле он предположил, что положительный заряд составляет 98 единиц, что составляет половину от 196). Таким образом, Резерфорд формально не предполагал, что эти два числа (место в периодической таблице, 79 и заряд ядра, 98 или 100) могут быть совершенно одинаковыми.

Через месяц после появления статьи Резерфорда предложение относительно точного тождества атомного номера и заряда ядра было сделано Антониусом ван ден Бруком и позже подтверждено экспериментально в течение двух лет Генри Мозли .

Это ключевые показатели —

  • Электронное облако атома не влияет на рассеяние альфа-частиц .
  • Большая часть положительного заряда атома сосредоточена в относительно крошечном объеме в центре атома, известном сегодня как ядро . Величина этого заряда пропорциональна (вплоть до числа зарядов, которое может составлять примерно половину) атомной массы — остальная масса, как теперь известно, в основном приписывается нейтронам . Эта концентрированная центральная масса и заряд отвечают за отклонение как альфа-, так и бета- частиц.
  • Масса тяжелых атомов, таких как золото, в основном сосредоточена в области центрального заряда, поскольку расчеты показывают, что она не отклоняется и не перемещается высокоскоростными альфа-частицами, которые имеют очень высокий импульс по сравнению с электронами, но не по отношению к тяжелым атомам. атом в целом.
  • Сам атом примерно в 100000 (10 5 ) раз больше диаметра ядра. Это может быть связано с положением песчинки в середину футбольного поля .

И все-таки он вертится!

И задумался он на целых два года. К 1911 году результатом его раздумий явилась новая модель строения атома. Однако обо всем по порядку.

Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.

Из этого следуют два вывода. Первый: легкие электроны практически не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Вывод второй: так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой.

Небольшая часть альфа-частиц все же отклоняется на значительные углы. А значит, вывод третий такой: центральная часть атома очень маленьких размеров, но в ней сосредоточена почти вся масса атома, и эта центральная часть имеет положительный заряд. Она и получила название ядра атома.

Планетарная модель атома Резерфорда: вокруг ядра вращаются электроны

Согласно Резерфорду, атом состоит из массивного положительного ядра и вращающихся по определенным орбитам вокруг него электронов, что само по себе напомнило Солнечную систему, поэтому модель и получила название планетарной.

По соотношению между общим числом альфа-частиц и количеством отклонившихся на определенные углы можно рассчитать размер ядра и его заряд. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10-14 м. Заряд же ядра, как было сказано выше, положителен и определяется формулой q=Z *e, где Z — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, а е — модуль заряда электрона. Но эту связь установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 году.

Однако и эта модель атома оказалась в противоречии с классической физикой. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!

Благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться, и они должны приближаться к ядру и, в конце концов, непременно «упасть» на него. Согласно расчетам, время «падения» должно составить 10-8 с. Однако опыты показывают, что атомы существуют довольно продолжительное время.

Таким образом, эти факты были несовместимы с планетарной моделью атома Резерфорда, если рассматривать ее с позиции классической электродинамики.

Разрешения этих противоречий были еще впереди. Пока же количество вопросов значительно превышало число удобоваримых объяснений. Тем не менее, это был значительный шаг на пути понимания устройства мира. Добавим лишь, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — это квантовый процесс, а для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще попросту не было.

Поделиться ссылкой

Принцип соответствия

Отрицая классическую электродинамику, Бор тем не менее все время пытается найти связь между новой и старой теориями и в 1912 году формулирует свой знаменитый принцип соответствия. Согласно этому принципу, физическая теория, явившаяся обобщением и развитием некоторой классической теории, в ряде предельных случаев должна давать результаты, совпадающие с классическими.

В боровской теории атома это следует понимать так: при больших квантовых числах п выводы теории должны соответствовать классическим представлениям. Для атома водорода, например, при больших квантовых числах «расстояния» между соседними энергетическими уровнями оказываются очень малыми (рис. 2), т.е. уровни становятся квазинепрерывными — это и есть отброшенные классические представления. В работе «О спектре водорода» Бор с помощью этого принципа вычисляет постоянную Ридберга. Попробуйте самостоятельно воспроизвести ход его мыслей.

Рис. 2