Модель атома Резерфорда

Литературный обзор

Модели

Первые модели строения атома появляются в самом начале XX века. Жан Перрен в 1901 г. высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома. Подобную же модель предложил в 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока. В модели Нагаоки атом уподоблялся планете Сатурн; роль планеты выполнял положительно заряженный шар, представляющий собой основную часть объёма атома, а электроны располагались подобно спутникам Сатурна, образующим его кольца. Однако наиболее широкое распространение получила т.н. кексовая модель атома: в 1902 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказал предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны. Простейший атом – атом водорода – представлял собой, по мнению У. Томсона, положительно заряженный шар, в центре которого находится электрон. Детально данную модель разработал Дж. Дж. Томсон, считавший, что электроны внутри положительно заряженного шара расположены в одной плоскости и образуют концентрические кольца. Дж. Дж. Томсон предложил способ определения числа электронов в атоме, основанный на рассеивании рентгеновских лучей, основанный на предположении, что именно электроны должны являться центрами рассеивания. Проведённые эксперименты показали, что количество электронов в атомах элементов равно приблизительно половине величины атомной массы. Дж. Дж. Томсон, предположив, что число электронов в атоме непрерывно возрастает при переходе от элемента к элементу, впервые попытался связать строение атомов с периодичностью свойств элементов

Немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, не предполагающую раздельного существования в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц (т.н. динамид), каждая из которых является электрическим дуплетом. Выполненные Ленардом расчёты показали, что эти частицы должны иметь крайне малые размеры, и, следовательно, большая часть объёма атома представляет собой пустоту. Сосредоточение массы атома в небольшой части его объёма отчасти подтверждалось и проведёнными Ленардом в 1903 г. опытами, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу.

Все упомянутые модели – Томсона-Томсона, Перрена-Нагаоки и Ленарда являлись сугубо гипотетическими и исключительно качественными. В 1906-1909 гг. Ганс Гейгер, Эрнст Марсден и Эрнест Резерфорд, пытаясь найти экспериментальные подтверждения модели Томсона, провели свои знаменитые опыты по рассеиванию α-частиц на золотой фольге. Они использовали α-частицы вместо электронов, т.к. благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона) α-частицы не претерпевают заметного отклонения при столкновении с электронами, что позволяет регистрировать только столкновения с положительной частью атома. В качестве источника α-частиц ими был взят радий, а частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой золотой фольге, регистрировались по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка, находящемся в затемненной комнате.

Результат опытов оказался совершенно противоположным ожидаемому. Большинство α-частиц проходило через золотую фольгу по прямым или почти прямым траекториям, но в то же время некоторые α-частицы отклонялись на очень большие углы, что свидетельствовало о наличии в атоме чрезвычайно плотного положительно заряженного образования. Основываясь на этих экспериментальных фактах, Резерфорд в 1911 г. предложил свою ядерную модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, объём которого ничтожно мал по сравнению с размерами атома; вокруг ядра вращаются электроны, число которых приблизительно равно половине атомной массы элемента. Модель атома Резерфорда при несомненных достоинствах содержала важное противоречие: в соответствии с законами классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение, теряя энергию. Вследствие этого радиус орбиты электрона должен был быстро уменьшаться, и рассчитанное из этих представлений время жизни атома оказывалось ничтожно малым.

С. И. ЛЕВЧЕНКОВ
КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ ХИМИИ

Учебное пособие для студентов химфака РГУ

В 1911 г. Дж.Резерфорд на основании анализа результатов эксперимента по рассеянию альфа-частиц на атомах выдвинул планетарную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра очень малых размеров (~10¹⁴ м), вокруг которого по некоторым орбитам движутся электроны. Радиусы этих орбит составляют порядка 10^-9м. Название "планетарная" у такой модели атома отражает очевидную аналогию с Солнечной системой, в которой планеты движутся по определенным орбитам вокруг массивного притягивающего центра - Солнца.

Однако, в отличие от планетарной модели Солнечной системы, планетарная модель атома оказывается противоречивой с точки зрения классической физики. И это, прежде всего, связано с наличием у электрона заряда.

Согласно законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон, как и любая ускоренно движущаяся заряженная частица, будет излучать электромагнитные волны. Спектр такого излучения должен быть непрерывным, то есть содержать электромагнитные волны с любой длиной волны. Этот вывод противоречит наблюдаемым в экспериментах линейным спектрам излучения атомов.

Кроме того, непрерывное излучение будет уменьшать энергию электрона. Поэтому радиус орбиты движущегося электрона обязан уменьшаться, и, в конце концов, электрон должен упасть на ядро. Иными словами, планетарная модель атома с точки зрения классической физики оказывается неустойчивой.

"Физика в техническом университете"

В рамках решения вопроса природы химической связи нами было доказано, что молекулы являются устойчивой системой, а связывающие их электроны движутся с центростремительным ускорением и при этом энергия электронов (как потенциальная, так и кинетическая) не меняется.

Этот экспериментальный факт подтверждает раз, что теории основанные на ложной модели не могут быть корректными.

18.11.2009