Глава 6 Физика атома, ядра и элементарных частиц

1. Строение атомов

   1. Ядерная модель атома Резерфорда

Ядерной (планетарной) моделью атома называется такая модель структуры атомов, в которой весь положительный заряд атома считается сосредоточенным в ядре – области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома. Линейные размеры ядра приблизительно 10^-15-10^-14 м. Остальную часть атома, линейные размеры которого приблизительно равны 10^-10 м, занимает облако отрицательно заряженных электронов. Абсолютное значение суммарного отрицательного заряда электронов равно положительному заряду ядра. Число протонов в ядре равно числу электронов в отрицательно заряженном облаке и совпадает с порядковым номером (атомным номером) Z атома данного химического элемента в периодической системе Менделеева. Вся масса атома практически сосредоточена в его ядре. Масса электронов, движущихся вблизи ядра, значительно меньше, чем масса нуклонов в ядре.

Ядерная модель атома явилась результатом опытов Резерфорда, изучавшего прохождение частиц через тонкие металлические пластины золота и платины. Упрощенная схема опытов изображена на рисунке 6.1. частицы испускались источником 1, помещенным внутри свинцовой полости с каналом 2. Узкий пучок частиц попадал на фольгу из золота 3 перпендикулярно к ее поверхности; частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки на экране 4, покрытом флуоресцирующим веществом, способным светиться при ударе об него частиц.

Опыты Резерфорда показали, что почти все частицы, прошедшие сквозь фольгу, сохраняли после прохождения прежнее направление своего движения или отклонялись на очень малые углы. Лишь некоторые частицы отклонялись на большие углы, порядка 135-150^о.

Результаты опытов Резерфорда получили простое объяснение с точки зрения ядерной модели атома. При прохождении частицы сквозь электронную оболочку атома частица не должна испытывать заметного отклонения от первоначального направления. Масса электрона значительно меньше массы частицы, а отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему электронной оболочки. частицы, которые встречают электроны на своем пути в веществе, практически на них не рассеиваются. Только те немногочисленные частицы, которые проходят близко от ядра, или сталкиваются с ядром, испытывают резкие отклонения.

2. Трудности классического объяснения ядерной модели атома

Электроны атома, в соответствии с ядерной моделью, должны двигаться относительно ядра. В противном случае, в результате кулоновских сил притяжения к ядру, электроны сразу же упали бы на ядро. Характерная для атома динамическая устойчивость объясняется большими скоростями движения электронов .

Рассмотрим простейший атом – атом водорода, состоящий из ядра – протона и одного электрона. Орбитой электрона в классическом смысле называется замкнутая траектория его движения относительно ядра. Скорость электрона, движущегося по окружности радиуса , определяется из условия, что центростремительной силой, удерживающей электрон на орбите, является сила его притяжения к ядру

,

где масса электрона; его заряд;

электрическая постоянная.

Ускоренное движение электрического заряда в атоме должно сопровождаться излучением электромагнитных волн с частотой, равной частоте обращения электрона вокруг ядра. Энергия электрона в атоме должна при этом непрерывно уменьшаться за счет излучения, и атом при этом не может быть устойчивым. Электрон не сможет удержаться на орбите. Он должен по спирали, с непрерывно меняющейся частотой, приближаться к ядру и упасть на него. Спектр атома водорода должен содержать всевозможные частоты, т.е. атом водорода должен давать излучение с непрерывным спектром частот.

Эти результаты, полученные с помощью классической механики и электродинамики, находятся в резком противоречии с опытом и свидетельствуют о том, что применять к электронам и атомам законы классической физики нельзя. Современная теория атома основана на квантовой механике.