Опыты Резерфорда. Строение атома

Одной из первых физически обоснованных моделей атома яви­лась модель атома Дж. Дж. Томсона, разработанная им после откры­тия электрона. Томсон представлял атом в виде положительно заря­женной сферы, внутри которой располагались электроны, число ко­торых было таким, что общий электрический заряд атома был равен нулю. Радиус сферы составлял порядка 10 ¹⁰м. В простейшем атоме водорода электрон, несущий отрицательный заряд, по представле­нию Томсона, должен находиться в центре сферы.

В 1911 г. Резерфорд с сотрудниками в Кавендишской лаборато­рии осуществил эксперименты по прохождению а-частиц через тон­кую золотую фольгу. Упрощенная схема эксперимента показана на рисунке 117. Частицы, испускаемые радиоактивным препаратом, со­держащим радий, проходили через золотую фольгу Ф и попадали на экран v9, покрытый сернистым цинком — веществом, способным ис­пускать кванты света при соударении с а-частицами. В этом случае в местах попадания а-частиц на экран наблюдаются слабые, но вполне доступные наблюдению вспышки света. Наблюдения прово­дились с помощью микроскопа М. Подсчитывая число вспышек света за определенный промежуток времени в зависимости от угла рассеяния 0, мож­но было установить характер распреде­ления положительного заряда внутри атома.

К насосу

Схема опыта Резерфорда по рассеянию а-частиц

В результате экспериментов выяс­нилось, что положительный заряд ато­ма, играющий роль рассеивающего центра, не размещен внутри сферы ра­диусом ~10~¹⁰м, а сосредоточен в объе­ме гораздо меньшего радиуса, порядка. Атом водорода по 10 ^— 10~¹⁵ м. Было высказано предположение, что атом имеет поло­жительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практи­чески вся масса атома. Это при­водило к тому, что а-частицы, налетающие на ядро, иногда от­скакивали от него, как мячики от стенки, испытывая отклоне­ние на 180° от первоначального направления движения. Резуль­таты проведенных опытов при­вели Резерфорда к новым пред­ставлениям о строении атома, к разработке так называемой пла­нетарной модели атома. Назва­ние этой модели связано со строением атома, аналогичным структуре Солнечной системы. Электроны, подобно планетам, движутся в атоме вокруг ядра по своим орбитам. Однако такие представления приводят к про­тиворечию между классической электродинамикой и наблюдаемым поведением атомов вещества. Действительно, двигаясь по орбите во­круг ядра, электрон имеет некоторое ускорение. При движении по круговой орбите это ускорение будет центростремительным. Но при ускоренном движении электрон должен испускать электромагнит­ные волны. Излучение электромагнитных волн приведет к уменьше­нию кинетической энергии движения электрона, к уменьшению ча­стоты излучения и в конечном счете к падению электрона на ядро. По расчетам, проделанным на основании законов классической электродинамики, выходило, что электрон должен упасть на ядро за время порядка 10~⁹ с, т. е. атомы должны быть весьма нестабильны­ми образованиями. За время своего существования атомы должны испускать излучение, имеющее непрерывный спектр.

Опыт же показывает, что это совсем не так. В действительности атомы являются стабильными структурами, а их спектры излучения представляют совокупность отдельных спектральных линий.

В 1885 г. швейцарский физик Иоганн Бальмер (1825— 1898) установил закономерность, позволяющую определять частоты наблюдаемых линий излучения в спектре атомов водорода. Бальмер нашел, что частоты линий подчиняются закономерности

где с — скорость света; т — целые числа, принимающие значения, большие двух: 3, 4, 5,... и т. д., для соответствующих линий опти­ческого спектра водорода; R — постоянная Ридберга, названная в честь шведского физика И. Р. Ридберга (1854—1919) и равная 10973731,77 м-'.

Стабильность атомов и их спектральные закономерности нахо­дились в явном противоречии с планетарной моделью атома и клас­сическими представлениями. Выход из создавшегося положения был найден на пути отказа от классических методов описания поведения электрона в атоме.