1.2. Модель атома Томсона

Згідно з класичною теорією атом міг би випромінювати монохроматичну хвилю (тобто спектральну лінію) в тому випадку, якби електрон в атомі виконував гармонічні коливання відносно положення рівноваги.

На підставі досліджень атомних спектрів водню і положень класичної теорії Томсон в 1903р. запропонував модель атома водню, у відповідності з якою атом водню представляє собою рівномірно заповнену позитивно заряджену кульку, всередині якої електрон виконує коливальний рух відносно центра кульки.

Позитивний заряд атома дорівнює заряду електрона і в цілому атом є електронейтральним. Томсон розрахував розміри атома, виходячи з таких положень:

н

Рис. 1.1

а електрон діє квазіпружна сила . За природою ця сила електростатична: .

Співставивши ці формули для сил, отримуємо

. (1.9)

Довжині хвилі Å (видима область спектра) відповідає частота . Отже

.

Отриманий результат по порядку величини співпадає з газокінетичними розмірами атомів, що можна було б розглядати як підтвердження моделі Томсона. Але в подальшому вияснилась неспроможність цієї моделі в пояснені фізико-хімічних властивостей водню і інших елементів.

1.3. Досліди по розсіянню -частинок. Ядерна модель атома

На підставі закону Кулона розподіл зарядів у атомі можна вияснити з допомогою «пробних» зарядів. У 1911р. (див.[7]) англійський фізик Е. Резерфорд (1871-1937) з своїми співробітниками в якості таких зарядів використали -частинки, потоком яких опромінювали металеву фольгу. Тонкий пучок -частинок, випромінюваних радіоактивною речовиною Р (рис. 1.2) крізь вузький отвір в захисній камері, падав на металеву фольгу Ф. Заряд -частинки дорівнює подвійному заряду протона; її маса дорівнює чотирьом масам протона, швидкість досягала . При проходженні крізь фольгу -частинки розсіювались від початкового напряму на різні кути . Розсіяні -частинки фіксувались з допомогою сцінціляційного лічильника С.Л.

В

Рис. 1.2

иявилось, що певна кількість -частинок розсіювались на дуже великі кути (майже до ). Проаналізувавши результати дослідів, Резерфорд дійшов висновку, що таке сильне відхилення -частинок можливе лише за умови, що всередині атома існує досить сильне електричне поле, сконцентроване у дуже малому об’ємі – ядрі.

Скориставшись законом збереження імпульсу системи -частинка – ядро атома, Резерфорд запропонував кількісну теорію розсіяння -частинок атомами, з якою можна ознайомитись за посібниками [2], [6], [7] та ін.

Прийнявши, що кінетична енергія -частинки перетворюється на її потенціальну енергію взаємодії при зіткненні з ядром:

, (1.10)

де k – коефіцієнт в законі Кулона, - заряд ядра. Із формули (1.10) знаходимо, мінімальна відстань між центрами ядра і -частинки:

=,

що наближається до стандартних даних.

Таким чином, на основі експериментальних дослідів Резерфорд запропонував ядерну модель будови атома: в центрі атома міститься позитивно заряджене ядро розміром близько м, навколо ядра по замкнених орбітах в об’ємі сфери м обертаються електрони, причому число їх дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній таблиці елементів Д.І. Менделєєва.

Модель атома Резерфорда добре пояснювала розсіювання -частинок атомами різних елементів, проте з погляду законів класичної фізики вона була неспроможна пояснити закономірності в лінійчатих спектрах атомів і навіть сам факт випромінювання атомом монохроматичного світла; не могла вона також пояснити характерної стійкості атома.

Річ у тім, що за законами класичної електродинаміки обертання електрона навколо ядра внаслідок доцентрового прискорення має супроводжуватись випромінюванням електромагнітних хвиль, у результаті чого енергія електрона має зменшуватись, а тому мусить зменшуватись і відстань електрона до ядра(відповідно частота його обертання має зростати). Отже, випромінювання електрона давало б суцільний спектр, і він дуже швидко впав би на ядро. Обидва ці наслідки класичної теорії не відповідають дійсності.