Модели атомов. Опыт Резерфорда

Введение

Атом — основная структурная единица вещества. В течение длительного времени атом считался неделимой частицей, из которой состоят все тела. Однако развитие физики в конце XIX — начале XX века привело к пересмотру этих взглядов. Экспериментальные открытия, связанные с электричеством, радиоактивностью и строением вещества, показали, что атом имеет сложную внутреннюю структуру.

Для объяснения наблюдаемых явлений учёные начали создавать модели атома — упрощённые представления, отражающие его устройство и свойства. Каждая новая модель основывалась на экспериментальных данных и заменяла предыдущую, если та переставала объяснять результаты опытов. Особую роль в развитии атомной физики сыграл опыт Эрнеста Резерфорда, который привёл к созданию ядерной (планетарной) модели атома.

Модель атома Томсона

Первую научно обоснованную модель атома предложил английский физик Джозеф Джон Томсон в 1904 году после открытия электрона. Он установил, что атомы содержат отрицательно заряженные частицы — электроны, а значит, атом не является неделимым.

Согласно модели Томсона:

• атом представляет собой положительно заряженный шар;

• внутри этого шара равномерно распределены электроны;

• суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атома, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Эта модель получила название «пудинг с изюмом», где положительный заряд — это «тесто», а электроны — «изюминки». Модель Томсона успешно объясняла электрическую нейтральность атома и существование электронов, но не могла объяснить результаты опытов по рассеянию частиц и спектры излучения атомов.

Необходимость новой модели атома

К началу XX века были накоплены экспериментальные данные, которые противоречили модели Томсона. Особенно важными стали исследования радиоактивных веществ и взаимодействия быстрых частиц с веществом. Возникла необходимость проверить, как распределён положительный заряд внутри атома и где сосредоточена его масса.

Для этого был проведён знаменитый опыт, который коренным образом изменил представления о строении атома.

Опыт Резерфорда

В 1909–1911 годах Эрнест Резерфорд совместно со своими учениками Гейгером и Марсденом провёл серию экспериментов по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге (чаще всего использовалась золотая фольга).

Суть опыта заключалась в следующем:

• узкий пучок альфа-частиц направлялся на очень тонкую фольгу;

• за фольгой располагался экран, покрытый веществом, светящимся при попадании частиц;

• по вспышкам на экране определялось направление движения частиц после прохождения фольги.

Ожидалось, что согласно модели Томсона альфа-частицы будут проходить через фольгу почти без отклонений, так как положительный заряд распределён по всему объёму атома.

Анализ результатов опыта Резерфорда

Результаты эксперимента оказались неожиданными:

• большинство альфа-частиц действительно проходили через фольгу без отклонения;

• часть частиц отклонялась на небольшие углы;

• очень небольшое число частиц отражалось назад, то есть отклонялось на углы, близкие к 180°.

Такие результаты невозможно было объяснить с точки зрения модели Томсона. Резерфорд сделал вывод, что:

• почти вся масса атома и весь положительный заряд сосредоточены в очень малом объёме;

• этот объём находится в центре атома и получил название атомного ядра;

• вокруг ядра на больших расстояниях движутся электроны.

Резерфорд образно сравнил это с попаданием снаряда в тонкую бумагу и его отражением назад, что возможно только при столкновении с очень плотным объектом.

Ядро и планетарная модель атома

На основе результатов эксперимента Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели:

• в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро;

• электроны движутся вокруг ядра по орбитам, подобно планетам вокруг Солнца;

• размеры ядра во много раз меньше размеров всего атома;

• атом в основном представляет собой пустое пространство.

Планетарная модель успешно объяснила результаты опыта Резерфорда и стала важным этапом в развитии атомной физики. Однако позже выяснилось, что с точки зрения классической физики такая модель нестабильна, и это привело к созданию квантовых моделей атома.

Значение опыта Резерфорда

Опыт Резерфорда:

• доказал существование атомного ядра;

• опроверг модель атома Томсона;

• подтвердил сложное строение атома;

• заложил основы ядерной физики и квантовой теории атома.

Этот эксперимент стал одним из важнейших в истории физики и показал, что строение материи значительно сложнее, чем считалось ранее.

Вопросы для самопроверки

1. Почему возникла необходимость создания моделей атома?

2. В чём заключалась модель атома Томсона?

3. Какие недостатки имела модель Томсона?

4. В чём состоял опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц?

5. Какие результаты были получены в опыте Резерфорда?

6. Какой вывод о строении атома был сделан на основе этого опыта?

7. Что называется атомным ядром?

8. В чём заключается планетарная модель атома?

9. Почему опыт Резерфорда считается ключевым для атомной физики?