Планетарная модель атома Резерфорда
«Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор.»
Эрнест Резерфорд
Модель Томсона была первым пробным шагом в познании микромира. Однако она не отвечала на многие вопросы. Требовался новый нестандартный взгляд для создания модели, способной разрешить возникшие противоречия.
Модель атома, предложенная Томсоном, давала только общее представление о строении атома и не согласовывалась со все новыми данными экспериментов и теоретических вычислений. Настало время создания другой модели, способной согласовать теорию и эксперимент.
Этого не может быть... Или факты — упрямая вещь
К 1904 году японский физик Хантаро Нагаока разработал раннюю «планетарную модель» атома — так называемый «атом типа Сатурна». Модель была разработана по аналогии с расчетами устойчивости колец Сатурна. И хотя впоследствии модель и оказалась ошибочной, два следствия из нее все-таки оказались пророческими:
- ядро атома действительно очень массивно;
- электроны удерживаются на орбите электростатическими силами.
Годом раньше немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, которая не предполагала раздельное существование в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц — динамид, каждая из которых является электрическим дуплетом. Расчеты, выполненные Ленардом, показали, что эти частицы должны иметь очень маленькие размеры, то есть большая часть объема атома представляет собой пустоту.
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Эрнеста Резерфорда решили попытаться найти экспериментальное подтверждение модели Томсона и провели ставшие классическими опыты по рассеиванию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Альфа-частицы были выбраны благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона), поэтому они не должны претерпевать сколь-нибудь заметного отклонения при взаимодействии с электронами. Это позволяет исследовать только положительную составляющую атома. Источником альфа-частиц послужил радий. Частицы, проходящие через золотую фольгу, рассеивались, и это рассеяние регистрировалось по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка.
В начале эксперимента исследовались только малые углы отклонения альфа-частицы. И тут выяснилось, что подавляющее большинство частиц проходили сквозь фольгу, как раскаленная дробинка через кусок масла, словно мишень была прозрачна для бомбардирующих ее частиц. Наблюдалось лишь весьма незначительное отклонение порядка одного градуса.
Затем Резерфорд поручил молодому сотруднику Марсдену выяснить, могут ли частицы рассеиваться на большие углы. В частности, до 180°. И вот зимним днем 1909 года Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и сказал: «Вы были правы, профессор: они возвращаются». Это было невероятно и противоречило существующей модели атома. Таким образом, вместо доказательства правоты Томсона эксперименты Резерфорда доказали ее несостоятельность.
Тот факт, что альфа-частицы возвращались, говорил о том, что они столкнулись с преградой — очень массивной положительно заряженной частицей, но эти столкновения происходили очень редко, в среднем — одно на восемь тысяч. А это уже свидетельство о том, что... Впрочем, именно над этим и задумался Резерфорд.
Альфа-частица (а-частица)— положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами, по сути это ядро атома гелия. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами, или альфа-излучением.
И все-таки он вертится!
И задумался он на целых два года. К 1911 году результатом его раздумий явилась новая модель строения атома. Однако обо всем по порядку.
Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.
Из этого следуют два вывода. Первый: легкие электроны практически не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Вывод второй: так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой.
Небольшая часть альфа-частиц все же отклоняется на значительные углы. А значит, вывод третий такой: центральная часть атома очень маленьких размеров, но в ней сосредоточена почти вся масса атома, и эта центральная часть имеет положительный заряд. Она и получила название ядра атома.
Согласно Резерфорду, атом состоит из массивного положительного ядра и вращающихся по определенным орбитам вокруг него электронов, что само по себе напомнило Солнечную систему, поэтому модель и получила название планетарной.
Если представить атом в виде сферы диаметром один километр — его ядро будет размером с мелкую монету.
По соотношению между общим числом альфа-частиц и количеством отклонившихся на определенные углы можно рассчитать размер ядра и его заряд. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10-14 м. Заряд же ядра, как было сказано выше, положителен и определяется формулой q=Z * e, где Z — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, а е — модуль заряда электрона. Но эту связь установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 году.
Однако и эта модель атома оказалась в противоречии с классической физикой. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!
Благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться, и они должны приближаться к ядру и, в конце концов, непременно «упасть» на него. Согласно расчетам, время «падения» должно составить 10-8 с. Однако опыты показывают, что атомы существуют довольно продолжительное время.
Таким образом, эти факты были несовместимы с планетарной моделью атома Резерфорда, если рассматривать ее с позиции классической электродинамики.
Разрешения этих противоречий были еще впереди. Пока же количество вопросов значительно превышало число удобоваримых объяснений. Тем не менее, это был значительный шаг на пути понимания устройства мира. Добавим лишь, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — это квантовый процесс, а для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще попросту не было.