Раздел 6. Элементы атомной физики и квантовой механики

Глава 25. Теория атома

§ 25.1 Модель атома Томсона и Резерфорда

В V в. До нашей эры Демокрит пришёл к идеи о существовании мельчайших и неделимых частиц, которые он назвал атомами. Сторонники атомистической теории рассматривали атом как мельчайшую неделимую частицу и счи­тали, что всё многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизмен­ных частиц — атомов. Потребовалось две с лишним тысячи лет, чтобы открытия, совершенные во второй половине XIX в., заставили посте­пенно усомниться в справедливости представления об атомах как неде­лимых частицах.

Большая роль в этой области физической науки принадлежит Д. И. Менделееву, который, открыв периодический закон, впервые на на­учной основе поставил вопрос о единой природе атомов. Д. И. Менделеев говорил, что атомы простых тел есть сложные вещества.

Важным стало открытие немецких ученых К. Кирхгофа и Р. Бунзена. Они обнаружили, что каждому химическому элементу соот­ветствует характерный, присущий лишь этому элементу набор спек­тральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало: свет испускается и поглощается отдельными ато­мами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.

Исследование радиоактивности привело к открытию электрона и α –частицы и позволило предположить, что в состав нейтрального атома должны входить как положительно, так и отрицательно заряженные частицы.

Несколькими учеными были предложены различные теоретические модели строения атома. Наибольшую по­пулярность из них получила модель, предложенная Дж. Дж. Томсоном. В историю физики она вошла под названием «булка с изюмом».

Согласно Томсону, атом имел вид положительно заряженного по всему объему шара, внутри которого (словно изюминки) находились электроны (рис.25.1). Пытаясь согласовать эту модель с данными спектроскопии и периодическим законом Д. И. Менделеева, Томсон был вынужден распределить атомные электроны по концент­рическим кольцам, приписав каждому из элект­ронов собственную частоту колебаний, совпа­дающую с одной из частот спектра излучения атома. В результате этого модель усложнилась настолько, что даже в простейший из атомов — атом водорода — пришлось включить около ты­сячи электронов!

Экспериментальная проверка модели Томсона была осущест­влена в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом (рис.25.2). Резерфорд исполь­зовал для этой цели поток быстрых положительно заряженных α-частиц, испускаемых некоторыми радиоактивными веществами (например, по­лонием) и имеющих заряд +2е и массу, равную 6,64·10^-27 кг. Пропуская пучок α-частиц через тонкую золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что некоторая часть частиц отклоняется на довольно значительный угол от первоначального направления, а часть даже отражается от фольги.

Проанализировав данные о количестве α-частиц, рассеянных на различные углы (рис.25.3), Резерфорд пришел к выводу о том, что модель Томсона неверна и атом напоминает скорее Солнечную систему, только вместо Солнца в нем находится ядро, а вместо планет — электроны. Так появилась ядерная (или планетарная) модель строения атома (рис.25.4). Особенности этой модели сводятся к следующим положениям:

1. Атом в основном пустой и состоит из расположенного в его центре положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым эллиптическим орбитам, кото­рые в первом приближении можно считать круговыми, движутся элек­троны, образуя электронную оболочку атома.

2. Ядро имеет заряд +zе (где z — порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева); имеет размеры (~10^-15 м), в десятки тысяч раз меньшие размеров атома (~10^-10 м), и обладает массой, составляющей 99,96% массы всего атома.

3. Вокруг ядра под действием кулоновских электрических сил об­ращаетсяz электронов. Суммарный заряд этих электронов равен — zе, так что в целом атом нейтрален.

О результатах своих исследований Резерфорд сообщил в феврале 1911 г. Проведенные Резерфордом исследования структуры атома не заинтересовали ученых. Дело в том, что при равноускоренном движение электрона по орбите вокруг ядра атом должен непрерывно излучать энер­гию. Уменьшение энергии приводит к уменьшению радиуса орбиты электрона — электрон должен двигаться по спирали, приближаясь к яд­ру и через небольшой про­межуток времени должен упасть на ядро, т. е. в модели Резерфорда атом является неустойчивой системой.

Предложенная Резерфордом модель строения атома не объ­яснила спектральных закономерностей и даже оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики.

Постоянно и мучительно раз­мышляя над проблемой устойчивости плане­тарного атома, двадцатишестилетний датский физик Нильс Бор пришел к убеждению, что «этот вопрос просто невозможно решить посредством уже известных правил». Бор по­нял, что не все законы классической физики применимы к явлениям атомных масштабов и что для описания свойств атомов нужна новая - квантовая теория.