Модели атомов. Опыт Резерфорда

В состав атома входят отрицательно и положительно заряженные частицы, атом в целом нейтрален. Английский физик Джозеф Джон Томсон предложил в 1903 г. одну из первых моделей строения атома. По предположению Томсона, атом представляет собой шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому электрический заряд атома в целом равен нулю. Эта модель строения атома нуждалась в экспериментальной проверке, важно было проверить, действительно ли положительно заряженный заряд распределён по всему объёму атома с постоянной плотностью. В 1911 г. Резерфорд провёл ряд опытов по исследованию состава и строения атомов: Свинцовый сосуд с радиоактивным веществом, излучающим-частицы. Из этого сосуда -частицы вылетают через узкий канал со скоростью порядка 15000 км/с. Поскольку-частицы непосредственно увидеть невозможно, то для их обнаружения служит стеклянный экран. Экран покрыт тонким слоем специального вещества, благодаря чему в местах попадания в экран -частиц возникают вспышки, которые наблюдаются с помощью микроскопа. Такой метод регистрации частиц называется методом сцинтилляций (т.е. вспышек). Вся эта установка помещается в сосуд, из которого откачан воздух (чтобы устранить рассеяние -частиц за счёт их столкновений с молекулами воздуха). Если на пути-частиц нет никаких препятствий, то они падают на экран узким, слегка расширяющимся пучком. При этом все возникающие на экране вспышки сливаются в одно небольшое световое пятно. Если же на пути -частиц поместить тонкую фольгу из исследуемого металла, то при взаимодействии с веществом -частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы . Перемещая экран вместе с микроскопом вокруг фольги, можно обнаружить, что некоторое (очень небольшое) число частиц рассеялось на углы, близкие к 90°, а некоторые единичные частицы – на углы порядка 180°, т.е. в результате взаимодействия с фольгой были отброшены назад. Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайное сильное электрическое поле. Было рассчитано, что такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объёме (по сравнению с объёмом атома). Поскольку масса электрона примерно в 8000раз меньше массы_>-частицы, электроны, входящие в состав атома, не могли существенным образом изменить направление движения -частиц. Поэтому в данном случае речь может идти только о силах электрического отталкивания между -частицами и положительно заряженной частью атома, масса которой значительно больше массы -частицы. Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объём атома. Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра. Атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов. Резерфорд сумел оценить размеры атомных ядер, ядро имеет диаметр порядка 10^-14 - 10^{-15 м, т.е. оно в сотни тысяч раз меньше атома. Поскольку диаметр ядра значительно меньше диаметра атома, то большая часть из числа всех}-частиц проходит сквозь атом на таких расстояниях от ядра, где, сила отталкивания создаваемого им поля слишком мала, чтобы существенно изменить направление движения -частиц. И только очень немногие частицы пролетают рядом с ядром, т.е. в области сильного поля, и отклоняются на большие угла. Именно такие результаты и были получены в опыте Резерфорда.