Планетарная модель атома.

История создания планетарной модели атома интересна, и я хочу ее описать. Дело происходило в лаборатории Резерфорда, который исследовал альфа-частицы (сейчас не важно – что это такое, просто пока будем считать, что это очень высокоэнергичные мелкие частицы, которые возникают, например, при радиоактивном распаде урана – они вылетают со скоростью 10 тысяч километров в секунду!! В будущем мы узнаем, что «альфа-частица» - это ядро гелия, то есть «комок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Согласно имеющейся на тот момент теории, альфа-частица должна была легко пролетать через тонкие слои материи. Ученику Резерфорда – Марсдену – было поручено провести, тем не менее, контрольный опыт. Поток альфа-частиц направлялся на тонкую золотую пластинку (фольгу). Атомы золота, согласно «пудинговой теории», должны были представлять собой области равномерно распределенного положительного электрического заряда, в который вкраплены мельчайшие электроны. Позади золотой фольги был размещен люминесцентный экран, в котором вспыхивало то место, куда попадала альфа-частица.

Производя опыт, Марсден был изумлен тем, что получавшийся результат никак не мог согласовываться с «пудинговой» моделью, в которой нет плотных и массивных комков заряженной материи, так как несмотря на то, что большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, словно не замечая ее – в полном соответствии с предсказаниями, изредка получалось так что они отклонялись от своего пути, причем иногда – очень сильно, порой даже на 150 градусов, то есть чуть ли не поворачивали обратно! Это было удивительно, ведь масса альфа-частицы намного выше массы электрона – примерно в 8000 раз! И даже если бы они столкнулись между собой, альфа-частица отклонилась бы совсем ненамного.

По словам Резерфорда, такой результат опыта был так же поразителен, как если бы вы стреляли из пушки по папиросной бумаге, и некоторые ядра отражались бы и улетали назад.

Ссылка: схема опыта Резерфорда

Стало ясно, что атом – не пудинг. Эксперимент стали видоизменять – например фольгу золота взяли потолще – и количество сильно отклоненных альфа-частиц пропорционально возросло (пропорционально – значит равномерно увеличиваясь, скажем взяли толщину пластины в два раза больше, и число сильно отклоненных альфа-частиц увеличилось вдвое). Значит – дело тут не в каком-то эффекте, связанном с поверхностью фольги. Затем эксперимент изменили так: между фольгой и источником альфа-частиц поставили экран, в котором сделали очень узкую щель, через которую альфа-частицы и летели очень узко-направленным потоком в направлении фольги. И все они благополучно пролетали сквозь фольгу – ни одна частица не отклонялась. Затем щель в экране стали делать шире, соответственно альфа-частицы начинали лететь на фольгу всё более широким потоком, и тут-то начинались эти странные сильные отклонения – теперь уже не все альфа-частицы благополучно пролетали через фольгу той же самой толщины – некоторые стали сильно отклоняться.

Марсден так и не смог придумать – что же все это означает, а Резерфорду сразу стало ясно, что альфа-частица должна натыкаться на какое-то очень массивное тело внутри атома, раз она отклоняется так сильно. То есть – в атоме есть какая-то массивная часть, и эту часть Резерфорд назвал ядром (nucleus), использовав по аналогии термин, принятый в биологии и обозначающий центральную часть живой клетки. Более того – альфа-частица не просто натыкается и отползает в сторону, а отлетает назад с огромной энергией, а это означает, что здесь не обошлось без электрического отталкивания. Альфа-частица имеет положительный заряд, отсюда и возникает гипотеза о том, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц.

Мы знаем, что атом в своем обычном состоянии электрически нейтрален. Это мы знаем наверняка, ведь если бы атомы были заряженными, то и составленные из них тела – тоже, а мы знаем, что ни книга, ни калькулятор не притягиваются друг к другу и не отталкиваются друг от друга, и если их разломать на мельчайшие, сверх-супер-мельчайшие кусочки, то и они не начнут притягиваться или отталкиваться. То есть атом в целом не обладает ни положительным, ни отрицательным зарядом.

А если все положительные заряды атома находятся в самом его центре, то где остается место для отрицательно заряженных электронов? Резерфорд, вспомнив устройство Солнечной системы, предложил гипотезу о том, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра.

Отныне модель атома Томсона ушла в историю. Резерфорд предложил более достоверную и принципиально новую ядерную модель в виде системы, в центре которой расположена маленькая массивная часть – ядро, а вокруг нее, как бы по орбитам, вращаются легкие электроны.

Интересно, что пересечения с биологией на этом не закончились. Дело в том, что один из сотрудников Резерфорда был… Чарлз Дарвин! Ну, конечно, не тот, который создал теорию происхождения видов с помощью естественного отбора, а его внук. Чарлз Дарвин писал: «Я считаю одним из величайших событий своей жизни то, что произошло в моем присутствии спустя полчаса после «рождения» ядра. Это было во время воскресного ужина в манчестерской квартире Резерфорда. Я помню, как он говорил нам, что наблюдаемое большое рассеяние альфа-частиц показывает на существование в атоме необычайно могучих сил».

Не забывай, что это лишь модель атома. Мы предполагаем, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра. На самом деле они не вращаются в полном смысле этого слова, все намного сложнее и намного интереснее, но планетарная модель объясняет так много физических явлений, и позволяет делать так много точных предсказаний и расчетов, что может считаться совершенно правильной в некотором грубом приближении.