7.2. Атомная физика

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Основой современных представлений о строении атома явились опыты Резерфорда по рассеиванию - частиц.- частицы возникают в процессе радиоактивного распада, их заряд положителен и равен удвоенному заряду электрона. Кинетическая энергия и скорость- частиц велики:

.

В опытах Резерфорда выделяемый отверстием (рис. 39) узкий пучок - частиц, испускаемых радиоактивным веществом Р, падал на очень тонкую металлическую фольгу Ф. На атомах фольги происходило рассеяние- частиц. Вокруг фольги располагался экран Э из сернистого цинка. При попадании- частицы на этот экран она давала вспышку света ‑ сцинтилляцию (поэтому такие экраны называются сцинтилляционными экранами), которая регистрировалась с помощью зрительной трубы М. Положение экрана и зрительной трубы могло быть установлено под любым углом к направлению распространения луча- частиц. Тем самым можно было подсчитать число- частиц, распространяющихся под разными углами.

Рис. 39. Опыт Резерфорда

Оказалось, что -частицы могут как проходить через фольгу насквозь по прямой, так и полностью отражаться от нее. Большинство- частиц отклоняется от прямолинейного пути на углы не более 1-2 градусов. Но небольшая доля - частиц отклонялась на значительно большие углы – так, одна - частица из 20 000 возвращается назад ().

Исходя из рассмотренных результатов опыта, в 1911 г. Резерфорд предложил свою, ядерную (планетарную) модель атома. По Резерфорду, в центре атома находится положительно заряженное (+Ze) ядро (радиус ядра ~ 10^-13 см), вокруг которого расположены Z электронов. Масса ядра намного больше массы электронов.

Ядерная модель атома позволила объяснить наблюдаемое в опыте Резерфорда отклонение - частиц от прямолинейной траектории: между положительно заряженными- частицами и положительно заряженным ядром возникают силы кулоновского отталкивания.

Экспериментальное подтверждение ядерной модели атома, предложенной Резерфордом, тем не менее, не разрешило противоречий этой модели с законами классической механики и электродинамики.

Противоречие 1: поскольку система неподвижных электрических зарядов неустойчива, Резерфорд предположил, что электроны не статичны, а движутся вокруг ядра; а значит, имеют центростремительное ускорение. Но при этом, согласно представлениям классической физики, электрон, как любой ускоренно движущийся заряд, должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Между тем в нормальном состоянии атомы не излучают.

Противоречие 2: теряя энергию в процессе излучения электромагнитных волн, электрон, в конце концов, должен упасть на ядро (расчетное время падения ~ 10^-8 с.). Следовательно, по модели Резерфорда атом является неустойчивой системой, что противоречит реальной действительности.

Противоречие 3: по Резерфорду, электроны при движении вокруг ядра удерживаются кулоновскими силами:

где – заряд ядра, m – масса электрона, – его скорость, r – радиус орбиты. Поскольку на радиус r не накладывается никаких ограничений, скорость электрона, а значит, и его кинетическая энергия может быть любой.

Это значит, что спектр испускания атома должен быть непрерывным. Однако реальные атомные спектры испускания состоят из отдельных линий (которые объединяются в серии линий).

Т.е. ядерная модель атома оказалась неспособна объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра. Выход из ситуации был найден в 1913 г. Бором, который предложил новую модель атома, введя предположения, противоречащие классическим представлениям. В основу своей теории он положил два постулата.