Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Лекция № 1. Строение атома

Структура лекции:

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома.

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора.

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры.

§ 1.4. Лазеры.

Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

План:

1. Модель атома Томсона и Резерфорда.

2. Опыты Томсона и Резерфорда.

В 1904 г. Появились первые публикации о строении атома, одна из которых принадлежит Х. Нагаока[1], другие Дж. Томсону.

Х. Нагаока представил, что модель атома, была построена аналогично с расчетами устойчивости колец Сатурна.

Рис. 1.1.1. Модель атома Дж. Томсона

Дж. Томсон считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным  м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 1.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом[2] и Х. Гейгером[3] в 1909 – 1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью альфа-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса – частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал альфа-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка  м/с, но все же значительно меньше скорости света), альфа-частицы – полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 г. при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию альфа-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения альфа-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Рис. 1.1.2. Схема опыта Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э –экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, альфа-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных альфа-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами  к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство альфа-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие альфа-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Полученный результат противоречил экспериментам Дж. Томсона. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить альфа-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на альфа-частицу, по закону Кулона возросла бы в  раз. Следовательно, при достаточно большом значении n альфа-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 1.1.3 иллюстрирует рассеяние альфа-частиц в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рис. 1.1.3. Рассеяние альфа-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

Опыты Резерфорда и его коллег привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает . Это ядро занимает только  часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95% его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 1.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Рис. 1.1.4. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка  с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.