Первые модели атомов

Английским ученым Джозефом Джоном Томсоном в 1896 году был открыт электрон, как частица, которая с массой почти 2000 раз легче атома водорода и имеет такой же заряд, как водород при электролизе.

Впоследствии, он допустил, что электрон является частицей, входящей в состав атома. Согласно модели Томсона, атом состоит из заряженного шара: «облака» или «супа», размером 10^–10 м, в котором положительно электричество распределено с постоянной плотностью. В шаре помещены отрицательно заряженные корпускулы, компенсирующие положительный заряд. Электроны распределены по всему атому, возможно, вращаясь на круговых орбитах (рис.6). Гармонические колебания электронов обуславливали линейчатые спектры лучеиспускания.

Рисунок 6. Модель атома Дж.Дж. Томсона: положительно заряженное сферическое «облако», «нашпигованное» электронами.

Конечно, эта модель была не единственной представленной в то время на рассмотрение научной общественности. Невзирая на видимые противоречия, идеи Томсона доминировали в течение нескольких лет благодаря и авторитету ученого, и отсутствию иных, достаточно значимых гипотез.

Новые открытия развивали инструментарий научных исследований. Потоки электронов, α-частиц, рентгеновского излучения направлялись исследователями на экраны сквозь всевозможные объекты.

В лаборатории Эрнеста Резерфорда его сотрудники Гейгер и Марсден провели серию опытов по прохождению α-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов. Поток α-частиц, испускаемых радием, пропускали через небольшое отверстие в свинцовой камере. На некотором расстоянии от отверстия располагался круговой сернистоцинковый (ZnS) экран (рис.7).

Рисунок 7. Схема опытов лаборатории Эрнест Резерфорда по рассеянию α-частиц

1. Поток α-частиц

2. Золотая фольга

3. Экран

При попадании потока α-частиц на экране появлялось светлое пятно. Золотая пластинка была препятствием на пути потока, α-частицы рассеивались и изображение пятна на экране немного размывалось, притом некоторые частицы (примерно, одна на 8000) отклонялись на угол более 90°. Объяснить эти результаты на базе модели Томсона не представлялось возможным: массивная положительно заряженная α-частица, проходя через размытый заряд, даже встречаясь с электронами, должна претерпевать очень незначительные отклонения. Резерфорд, учитывая электростатическое взаимодействие полей, определил, какое распределение заряда должно быть внутри атома чтобы α-частицы могли отскакивать на большие углы и даже возвращаться обратно. Расчеты показали, что это с некоторой долей вероятности возможно, если весь положительный заряд и масса сосредоточены центре атома. Размер атомного ядра должен быть 10^–14–10^–15 м в диаметре. Согласно Резерфорду, отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг ядра на «планетарных» орбитах, удерживаясь благодаря центробежной силе, которая уравновешивает силу притяжения заряда ядра (рис.8). Заряд ядра, полагал ученый, пропорционален атомному весу.

Рисунок 8. Планетарная модель атома Эрнеста Резерфорда

Однако планетарная модель не объясняла устойчивость атомов. Согласно законам классической физики, электроны, которые движутся вокруг ядра по орбитам, испытывают центростремительное ускорение и должны излучать электромагнитные волны, терять энергию движения и в результате падать на ядро.

Этот недостаток был снят в планетарной модели Нильса Бора, постулирующей, что на субатомном уровне действуют законы, отличные от законов классической физики. Бор добавил к планетарному строению атома квантовую теорию Макса Планка. Теперь электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях обусловленных квантовыми ограничениями (рис.9).

Рисунок 9. Планетарная модель атома Нильса Бора

Разрешенными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением энергий в виде фотона излучения с частотой, пропорциональной разнице энергий уровней. Эта модель позволила объяснить линейчатые спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

На основе своей модели, ученый предложил описание химической связи для молекулы Н₂ – оба электрона вращаются по орбите вокруг линии, соединяющей ядра атомов водорода (рис. 10).

Рисунок 10. Химическая связь в молекуле водорода (по Бору)

Теория Нильса Бора показала, что объектам микромира присуще квантование – дискретность изменения величин, описывающих состояние объекта. Постоянная Планка h или ħ=h/2π является фундаментальной константой, свойством природы, мерой квантования.

С помощью модели Бора удалось обосновать частоты спектра атома водорода и объяснить размер атома. Но расчеты спектров прочих атомов не дали удовлетворительных результатов.