Опыт Резерфорда и ядерная модель атома.
В отличие от поля, вещество в физике от древних греков считалось дискретным, состоящим из мельчайших частиц, называемых атомами. К началу XX в атомистическая гипотеза древних, считающая атомы мельчайшими, неделимыми далее порциями вещества (с греческого tomos – часть и atomos – не имеющий частей, неделимый) перестала соответствовать накопленному экспериментальному материалу. Выявление и изучение термоэлектронной эмиссии, электрического тока в металлах и газах, фотоэффекта и особенно радиоактивности с ее -, - и - лучами привели к обнаружению еще более мелких, чем атомы частиц. Ими были, прежде всего, отрицательно заряженные - частицы (электроны) и положительно заряженные - частицы (ядра атомов гелия).
Встала проблема установления внутреннего состава и строения атома. Начали выдвигаться различные модели устройства атомов. Они должны были учитывать такие, известные из опыта закономерности, как:
Электрическая нейтральность атома в целом.
Наличие в составе атомов легких, отрицательно заряженных частиц – электронов.
Динамичность системы заряженных частиц, ибо статическая система не может
быть устойчивой (по теореме Ирншоу – из электростатики).
Дискретный характер спектра излучения атомов.
Решающий эксперимент для построения современной модели строения атома осуществил в 1911 г. Э. Резерфорд с сотрудниками. Открытие радиоактивности дало в руки физиков мощное орудие исследования структуры атома, а именно - альфа-излучение, состоящее из ядер гелия, движущихся с большой скоростью. Бомбардируя - частицами, вылетавшими из радиоактивного вещества (РВ) с большой скоростью 107 м/с, тонкую (доли микрона) золотую1 фольгу Ф, Резерфорд изучал с помощью наблюдения в измерительный микроскоп ИМ рассеяние - частиц атомами фольги. Опыты показали, что вещество (материал фольги, его атомы) является весьма “пористым”, т. к. подавляющая часть - частиц (99,95%) пронизывала фольгу насквозь. Лишь незначительная часть их, примерно 1/2000, рассеивалась на углы , большие 90, т. е. отбрасывалась назад. Но именно последний факт обратил на себя внимание Резерфорда, который посчитал его невероятным. Дело в том, что отбросить массивную, положительно заряженную - частицу, движущуюся с огромной скоростью, может лишь положительный массивный заряд, сосредоточенный в очень малом объеме. Примерный размер (радиус) этого объема Резерфорд оценил исходя из закона сохранения энергии, из условия равенства кинетической энергии - частицы работе ее торможения в электрическом поле положительного заряда атома фольги:
,
где Z – порядковый номер атома фольги в табл. Менделеева.
Полученный
размер оказался много меньше диаметра
атома, порядок которого, по газокинетическим
оценкам, составлял
м.
Кроме того, в существовавших моделях
атома (например, в модели Томсона), он
представлялся в виде равномерно
заряженного положительного шара, внутри
которого колеблются электроны. Для
объяснения своих опытов Резерфорд
предложил новую ядерную
или планетарную
модель
атома,
согласно которой атом построен по типу
солнечной системы, где гравитационные
силы заменены на силы электромагнитные.
В
ней атом состоит из массивного
положительного ядра малых размеров
порядка
м
и вращающихся вокруг него на больших
расстояниях (с радиусом порядка
м)
легких электронов. Эта модель во многом
подобна нашей планетарной системе с
центром – ядром – массивным Солнцем и
вращающихся вокруг него более легких
планет.
Но
в теоретическом плане эта модель,
порожденная опытом, оказалась
противоречащей основным положениям
классической электродинамики; вращающийся
вокруг ядра электрон представляет собой
заряженную частицу, движущуюся с
ускорением, и должен был излучать энергию
в виде электромагнитных волн. Но, излучая
энергию, т. е. теряя в итоге запас своей
энергии, электрон спустя короткое время
(по расчетам, порядка
с)
должен был упасть на ядро. Но этот вывод
классической электродинамики не
соответствовал опыту, ибо атомы были
устойчивыми образованиями. Частота
излучения в классической электромагнитной
теории должна совпадать с частотой
орбитального движения электрона. По
мере того, как электронная орбита
сжимается, частота обращения непрерывно
возрастает. Таким образом, спектр
излучения, испущенного возбужденным
атомом водорода, казалось бы, должен
быть непрерывным, т. е. в нем должны быть
представлены все частоты. Эксперименты,
однако, показывают, что спектр излучения
атома водорода, наоборот, состоит из
семейства дискретных линий.
Так же, как и при анализе закономерностей теплового излучения, надо было приводить в очередное соответствие прежнюю теорию с новым опытом. Такое реформирование теории первоначально было проведено Н. Бором.
1 Золото легко расплющивается, и толщину фольги можно довести до слоя в несколько сот атомов. В тонкой фольге возрастает вероятность однократных столкновений - частиц с атомами, что и было важным для опыта Резерфорда.