Опыты Резерфорда

Ученые не сразу пришли к правильному пониманию строения атома. Первую модель атома предложил английский физик Дж. Дж. Томсон, открывший электрон. Но его модель вошла в противоречие с опытами Э. Резерфорда по изучению распределения в микрочастице положительного заряда. Эти опыты Резерфорда сыграли главную роль в понимании того, как устроен атом.

Было уже известно, что масса электрона в тысячи раз меньше массы самой частицы. Резерфорд сделал предположение: поскольку в целом атом нейтрален, то основная его масса должна приходиться на положительно заряженную часть. Для подтверждения этой гипотезы опыты Резерфорда свелись к следующему.

Он предложил с помощью альфа-частиц зондировать атом. Масса электрона приблизительно в 8000 раз меньше массы α-частиц, а скорость их весьма велика - она может достигать двадцати тысяч километров в секунду. Это были опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

Атомы тяжелых элементов бомбардировали этими частицами. Из-за малой массы электроны поменять траекторию α-частиц сильно не могли. Это могла сделать только часть атома, положительно заряженная. Следовательно, по характеру рассеяния альфа-частиц можно будет узнать распределение массы внутри микрочастицы вещества и положительного заряда.

Опыты Резерфорда имели следующую схему. Какое-либо радиоактивное вещество помещалось внутрь цилиндра из свинца. В этом цилиндре продольно высверливался узенький канал. Поток α-частиц из этого канала попадал на тонкую фольгу из изучаемого материала (медь, золото и другое). Затем альфа-частицы падали на полупрозрачный экран, который был покрыт сульфидом цинка. Каждая частица, сталкиваясь с экраном, давала вспышку света (сцинтилляцию), её можно было увидеть в микроскоп.

Дальнейшие опыты Резерфорда показали, что малое число альфа-частиц (приблизительно одна из двух тысяч) отклонялось на угол больше чем 90°. Этот факт сильно озадачил Резерфорда. Он говорил, что это так же невероятно, как выстрелить снарядом в кусочек тонкой бумаги и он вернулся бы к вам и нанес удар. Действительно, предсказать такой результат, основываясь на модели Томсона, невозможно, и Резерфорд предположил, что α-частица отброшена назад может быть только тогда, когда основная масса атома находится в очень малом по объёму пространстве. Так опыты Резерфорда помогли ему прийти к модели ядра. Это тело малого размера, где сконцентрирован почти весь положительный заряд и вся масса микрочастицы.

Атомная модель непосредственно вытекает из опытов, которые провёл Резерфорд. Строение атома по концепции Резерфорда следующее. Заряженное положительно ядро находится в центре. Поскольку атом нейтрален, то число электронов равняется порядковому номеру элемента в менделеевской периодической системе. Они двигаются по кругу над ядром, как вращаются планеты вокруг Солнца по своим орбитам. Движение электронов обусловлено кулоновскими силами. Атом водорода содержит только один электрон, обращающийся вокруг его ядра. Его атомное ядро несёт положительный заряд и массу, приблизительно в 1836 раза больше массы электрона.

Такая модель атома имела экспериментальное обоснование, но на основе данной модели нельзя объяснить устойчивость его существования.

Электроны, движущиеся по орбите, должны по законам классической механики приближаться к ядру из-за потерь энергии и, в конце концов, упасть на него. На самом деле электрон не падает на ядро. Микрочастицы химических элементов весьма устойчивы и могут существовать очень долгое время. Вывод о неминуемом разрушении атома из-за потерь энергии, который не согласуется с опытами Резерфорда, есть результат применения законов классической механики к микромасштабным явлениям. Следовательно, к явлениям микромира неприменимы законы классической физики.