Опыты Резерфорда

Но модель атома Томсона ‑ это гипотеза. Для ее подтверждения или опровержения нужны были прямые опыты. Т.е. нужно было поставить эксперименты по прямому зондированию атомов. Для этого нужно было направлять на атом потоки частиц высоких энергий и изучать их рассеяние.

Такие опыты были поставлены Резерфордом. В его распоряжении были естественные радиоактивные вещества, которые излучали частицы высоких энергий, в частности - частицы.

- частицы ‑ это двукратно ионизированный атом гелия, т.е. атом гелия, у которого выбито два электрона. Соответственно, - частица имеет заряд, равный двум положительным зарядам электрона.

Резерфорд с помощью свинцового экрана (см. рис. 3) получал узкий пучок - частиц, помещенных внутрь экрана, а затем этот пучок - частиц направлял на очень тонкую фольгу металла. На атомах фольги происходило рассеяние - частиц. Вокруг фольги располагался экран из сернистого цинка. При попадании - частицы на этот экран она давала вспышку света ‑ сцинциляцию (поэтому такие экраны называются сцинциляционными экранами), которая регистрировалась с помощью зрительной трубы .

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. Скорость - частиц имеет величину порядка .

Первые же эксперименты дали совершенно неожиданные результаты. Дело в том, что наблюдались - частицы под углом . Почему же это неожиданно? Дело в том, что если - частица отклоняется назад, то схема ее взаимодействия с атомом фольги должна быть такова.

- частица приближается прямо к атому по осевой линии. Вследствие кулоновского отталкивания она тормозится. В некоторый момент она останавливается, при этом вся ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию, а затем начинает двигаться назад.

Найдем наименьшее расстояние, на которое - частица сблизится с атомом. Согласно закону сохранения энергии, можно записать:

Отсюда получим выражение для минимального сближения:

Учитывая, что масса - частицы равна , для получим:

Но, как известно, радиус атома составляет величину, порядка . Таким образом, получается что - частица проникает внутрь атома. Но тогда кулоновское взаимодействие нужно считать по другой формуле. А именно, учесть, что напряженность поля внутри атома Томсона определяется выражением . Этот учет приводит к тому, что - частица не может быть отброшена назад атомом при существующих значениях скоростей .

Т.е. эти эксперименты наносят удар по модели атома Томсона.

Планетарная модель атома Резерфорда

Исходя из рассмотренных результатов опыта, Резерфорд пришел к выводу, что модель атома Томсона не верна.

Резерфорд предложил свою, ажурную модель атома, согласно которой атом представляет собой систему, подобную солнечной системе.

В центре находится положительно заряженное ядро, заряд которого равен , а вокруг него вращаются электронов по орбитам. При этом вся масса атома практически сосредоточена в его ядре.

Электрон должен вращаться вокруг ядра, чтобы система была устойчивой. Ядро имеет размеры, не превосходящие , а размеры атома имеют те же величины .

При попадании - частиц в фольгу, взаимодействием с ее электронами можно пренебречь, поскольку электроны имеют массу, гораздо меньшую массы - частиц.

Действительно, при взаимодействии - частицы с электронами должны бы измениться как скорость - частицы, так и скорость электрона. Посмотрим, так ли это.

На основании закона сохранения импульса запишем:

Отсюда

Соответственно, скорость - частицы после взаимодействия будет равна:

Предположим самый неблагоприятный случай . При этом

Пусть , т.е. такая же, как и у - частицы ‑ . Тогда

Но так как , то . Т.е. скорость - частицы практически не меняется.

Итак, - частица взаимодействует только с ядром атома.

Исходя из предложенной им модели атома, Резерфорд рассчитал относительное количество - частиц, рассеянных под тем или иным углом от первоначального направления. При этом он получил формулу, которая называется формулой Резерфорда:

где ‑ относительное число частиц внутри телесного угла ; заключенного в промежутке от до ; ‑ толщина фольги; ‑ число атомов в единице объема; ‑ заряд ядра; ‑ масса - частицы; ‑ скорость - частицы.

Эксперименты показали полное совпадение результатов опыта с теоретической формулой.

Казалось бы, результаты опыта подтверждают планетарное строение атома, но здесь возникает другое «но».

Электрон, вращаясь вокруг ядра по круговой орбите, обладает центростремительным ускорением. А если он обладает ускорением, то согласно законам классической электродинамики он должен излучать электромагнитные волны, т.е. терять энергии. А если он будет терять энергию, радиус его орбиты будет уменьшаться и он, в конце концов, упадет на ядро. В действительности же атом, как известно, представляет собой чрезвычайно устойчивую систему.