Атом и атомное ядро Опыт Резерфорда по рассеянию -частиц
Масса электрона много больше массы атома. Т.к. атом в целом нейтрален, то основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть. Резерфорд в 1906 г. предложил применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы образуются при распаде радия и некоторых других элементов и представляют собой полностью ионизированные атомы гелия.
Т.к. масса -частицы много больше массы электрона, рассеяние ‑частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома; электроны не будут оказывать существенного влияние на движение ‑частиц.
Результаты эксперимента показали, что массивные положительные заряды представляют собой по сути материальные точки. На основе эксперимента, Резерфорд пришел к выводу, что ядро в 10 – 100 тыс. раз меньше размера атома.
Ядерная (планетарня) модель атома
Из опытов Резерфорда вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Покоиться электроны внутри атома не могут: они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.
Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц: т.к. большая часть пространства в атоме между атомным ядром и электронами пуста, быстрые заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.
Квантовые постулаты Бора
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию -частиц вещества, но встретилась с другой принципиальной трудностью. Т.к. электрон движется в атоме по окружности, т.е. с ускорением, он должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения электрона вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному приближению его к ядру и, наконец, падению на ядро. Поэтому с точки зрения классической физики такой атом неустойчив. Он может существовать лишь короткое (порядка 10-8 с) время, за которое электроны израсходуют всю свою энергию на излучение и упадут на ядро. Но в действительности атомы устойчивы.
Выход из сложившегося положения был найден Нильсом Бором, который сформулировал свои представления об особых свойствах атомов в виде постулатов:
Атомная система может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарных состояниях атом не излучает.
При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух стационарных состояниях:
.
Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные состояния называются возбужденными.