Планетарну модель атома запропонував Е.Резерфорд у 1910 році. Перші дослідження структури атома були зроблені ним за допомогою альфа-частинок. На основі результатів, отриманих в експериментах з їх розсіювання, Резерфорд припустив, що весь позитивний заряд атома зосереджений в крихітному ядрі в його центрі. З іншого боку, негативно заряджені електрони розподілені всередині всього іншого його обсягу.
Трохи передісторії
Першу геніальну здогадку про існування атомів зробив давньогрецький вчений Демокріт. Відтоді ідея про існування атомів, комбінації яких дають усі навколишні нас речовини, не покидала уяви людей науки. Періодично до неї зверталися різні її представники, але до початку XIX століття їх побудови були всього лише гіпотезами, не підкріпленими досвідченими даними.
Нарешті, 1804 року, більш ніж за сто років до того як з 'явилася планетарна модель атома, англійський вчений Джон Дальтон представив докази його існування і ввів поняття атомної ваги, що стало його першою кількісною характеристикою. Як і його попередники, він представляв атоми найдрібнішими частинами матерії, схожими на тверді кульки, які не можуть бути розділені на ще більш дрібні частинки.
Відкриття електрону і перша модель атома
Минуло майже ціле століття, коли, нарешті, наприкінці XIX століття також англієць Дж. Дж.Томсон відкрив першу субатомну частинку, негативно заряджений електрон. Оскільки атоми електрично нейтральні, Томсон думав, що вони повинні складатися з позитивно зарядженого ядра з електронами, розкиданими за його обсягом. Ґрунтуючись на різних результатах, отриманих експериментально, він 1898 року запропонував свою модель атома, іноді звану "сливи в пудінгу", тому що атом у ній представлявся у вигляді сфери, заповненої деякою позитивно зарядженою рідиною, в яку електрони були впроваджені, як "сливи в пудинг". Радіус такої сферичної моделі був близько 10-8 см. Загальний позитивний заряд рідини симетрично і рівномірно збалансований негативними зарядами електронів, як показано на малюнку нижче.
Ця модель задовільно пояснювала ту обставину, що при нагріванні речовини вона починає випромінювати світло. Хоча це була перша спроба розуміння того, що ж таке атом, вона не змогла задовольнити результати експериментів, виконаних пізніше Резерфордом та іншими. Томсон у 1911 році погодився, що його модель просто не може відповісти, як і чому відбувається спостережуване в дослідах розсіювання лід-променів. Тому вона була залишена, а на зміну їй прийшла більш досконала планетарна модель атома.
Як же все таки влаштований атом?
Ернест Резерфорд дав пояснення явища радіоактивності, яке принесло йому Нобелівську премію, проте його найбільш значний внесок у науку був зроблений пізніше, коли він встановив, що атом складається з щільного ядра, оточеного орбітами електронів, подібно до того, як Сонце оточене орбітами планет.
Згідно з планетарною моделлю атома, велика частина його маси сконцентрована в крихітному (порівняно з розмірами всього атома) ядрі. Електрони рухаються навколо ядра, подорожуючи з неймовірною швидкістю, але більша частина об 'єму атомів є при цьому порожнім простором.
Розмір ядра настільки малий, що його діаметр в 100 000 разів менше, ніж у атома. Діаметр ядра був оцінений Резерфордом як 10-13 см, на відміну від розміру атома - 10-8 см. За межами ядра електрони обертаються навколо нього з високими швидкостями, в результаті чого виникають відцентрові сили, що врівноважують електростатичні сили тяжіння між протонами і електронами.
Досліди Резерфорда
Планетарна модель атома виникла в 1911, після знаменитого експерименту із золотою фольгою, що дозволив отримати деякі фундаментальні відомості про його будову. Шлях Резерфорда до відкриття атомного ядра є хорошим прикладом ролі творчості в науці. Його пошуки почалися ще в 1899 році, коли він виявив, що деякі елементи випускають позитивно заряджені частинки, які можуть проникати через що завгодно. Він назвав ці частинки альфа частинками (тепер ми знаємо, що вони були ядрами гелію). Як і всі хороші вчені, Резерфорд був цікавий. Він задавався питанням, чи можна використовувати альфа-частинки, щоб дізнатися структуру атома. Резерфорд вирішив націлити промінь альфа-частинок на лист дуже тонкої золотої фольги. Він вибрав золото, тому що з нього можна отримувати аркуші товщиною всього 0,00004 см. За листом золотої фольги він поставив екран, який світився, коли альфа-частинки вдаряли в нього. Його використовували для виявлення альфа-частинок після їх проходження через фольгу. Невелика прорізь в екрані дозволяла променю альфа-частинок досягти фольги після виходу з джерела. Частина з них повинна пройти крізь фольгу і продовжувати рухатися в тому ж напрямку, інша їх частина повинна відскакувати від фольги і відбиватися під гострими кутами. Ви можете побачити схему експерименту на малюнку нижче.
Що ж вийшло в досвіді Резерфорда?
Виходячи з моделі атома Дж.Дж. Томсона, Резерфорд припускав, що суцільні області позитивного заряду, що заповнюють весь обсяг золотих атомів, будуть відхиляти або згинати траєкторії всіх альфа-частинок, коли вони проходять через фольгу.
Однак переважна більшість альфа-частинок пройшла прямо через золоту фольгу, ніби її і не було. Здавалося, вони проходять через порожній простір. Лише деякі з них відхиляються від прямого шляху, як і передбачалося спочатку. Нижче наведено графік залежності кількості частинок, розсіяних у відповідному напрямку, від кута розсіювання.
Дивно, але крихітний відсоток частинок повертався від фольги, як баскетбольний м 'яч відскакує від щита. Резерфорд зрозумів, що ці відхилення були результатом прямого зіткнення між альфа-частинками і позитивно зарядженими компонентами атома.
Ядро займає центральне місце
Виходячи з нікчемного відсотка альфа-частинок, що відбилися від фольги, можна зробити висновок, що весь позитивний заряд і практично вся маса атома зосереджені в одній маленькій області, а в іншій частині атома в основному знаходиться порожній простір. Резерфорд назвав площу концентрованого позитивного заряду ядром. Він передбачив і незабаром виявив, що воно містить позитивно заряджені частинки, які він назвав протонами. Резерфорд передбачив існування нейтральних атомних частинок, званих нейтронами, але він не зміг виявити їх. Проте його учень Джеймс Чедвік відкрив їх через кілька років. На зображенні нижче показана структура ядра атома урану.
Атоми складаються з позитивно заряджених важких ядер, оточених обертовими навколо них негативно зарядженими надзвичайно легкими частинками-електронами, причому на таких швидкостях, що механічні відцентрові сили просто балансують їх електростатичне тяжіння до ядра, і в цьому зв 'язку нібито забезпечується стабільність атома.
Недоліки цієї моделі
Основна ідея Резерфорда відносилася до ідеї малорозмірного атомного ядра. Припущення про орбіти електронів було чистою гіпотезою. Він не знав точно, де і як електрони обертаються навколо ядра. Тому планетарна модель Резерфорда не пояснює розподіл електронів на орбітах.
Основна ідея Резерфорда відносилася до ідеї малорозмірного атомного ядра. Припущення про орбіти електронів було чистою гіпотезою. Він не знав точно, де і як електрони обертаються навколо ядра. Тому планетарна модель Резерфорда не пояснює розподіл електронів на орбітах.
Крім того, стабільність атома Резерфорда була можлива тільки при безперервному русі електронів по орбітах без втрат кінетичної енергії. Але електродинамічні розрахунки показали, що рух електронів по будь-яких криволінійних траєкторіях, що супроводжується зміною напрямку вектора швидкості і появою відповідного прискорення, неминуче супроводжується випромінюванням електромагнітної енергії. При цьому, відповідно до закону збереження енергії, кінетична енергія електрону повинна дуже швидко витратитися на випромінювання, і він повинен впасти на ядро, як схематично показано на малюнку нижче.
Але цього не відбувається, оскільки атоми є стабільними утвореннями. Виникла типова для науки суперечність між моделлю явища і досвідченими даними.
Від Резерфорда до Нільса Бора
Наступний великий крок вперед в атомній історії стався в 1913 році, коли данський вчений Нільс Бор опублікував опис більш детальної моделі атома. Вона визначала більш чітко місця, де можуть знаходитися електрони. Хоча пізніше вчені будуть розвивати і більш вишукані атомні конструкції, але планетарна модель атома Бора була в основному правильною, і багато чого з неї приймається досі. Вона мала безліч корисних додатків, наприклад з її допомогою пояснюють властивості різних хімічних елементів, характер спектру їх випромінювань і будову атома. Планетарна модель і модель Бора з 'явилися найважливішими віхами, що позначили появу нового напрямку у фізиці - фізики мікроміру. Бор отримав Нобелівську премію 1922 з фізики за його внесок у наше розуміння структури атома.
Що ж нового привніс Бор в модель атома?
Будучи ще молодим чоловіком, Бор працював в лабораторії Резерфорда в Англії. Оскільки в моделі Резерфорда була слабо опрацьована концепція електронів, Бор зосередився саме на них. В результаті була істотно доопрацьована планетарна модель атома. Постулати Бора, які він сформулював у своїй статті "Про будову атомів і молекул", що вийшла в 1913 році, свідчать:
1. Електрони можуть рухатися навколо ядра тільки на фіксованих відстанях від нього, що визначаються тією кількістю енергії, яка у них є. Він назвав ці фіксовані рівні енергетичними рівнями або електронними оболонками. Бор представляв їх у вигляді концентричних сфер, з ядром у центрі кожної з них. При цьому електрони з меншою енергією будуть знайдені на більш низьких рівнях, ближче до ядра. Ті ж з них, у кого більше енергії, будуть знайдені на більш високих рівнях, далі від ядра.
2. Якщо електрон поглинає деяку (цілком визначену для цього рівня) кількість енергії, то він буде стрибати на наступний, більш високий енергетичний рівень. І навпаки, якщо він втратить таку саму кількість енергії, то повернеться назад до вихідного рівня. Однак електрон не може існувати на двох енергетичних рівнях.
Ця ідея ілюструється малюнком.
Енергетичні порції для електронів
Модель атома Бора насправді є поєднанням двох різних ідей: атомної моделі Резерфорда з електронами, що обертаються навколо ядра (по суті це планетарна модель атома Бора-Резерфорда), та ідеї німецького вченого Макса Планка про квантування енергії речовини, опублікованої в 1901 році. A квант (у множині - кванти) є мінімальною кількістю енергії, яка може бути поглинута або випромінена речовиною. Він є свого роду кроком дискретизації кількості енергії.
Якщо енергію порівняти з водою і ви хочете додати її до матерії у вигляді склянки, ви не можете просто залити воду безперервним струменем. Замість цього ви можете додати її в невеликих кількостях, наприклад, за чайною ложкою. Бор вважав, що якщо електрони можуть поглинати або втрачати тільки фіксовані кількості енергії, то вони повинні варіювати свою енергію тільки цими фіксованими кількостями. Таким чином, вони можуть займати тільки фіксовані енергетичні рівні навколо ядра, які відповідають квантованим прирощенням їх енергії.
Так з моделі Бора виростає квантовий підхід до пояснення, що ж з себе представляє будова атома. Планетарна модель і модель Бора з 'явилися своєрідними сходами від класичної фізики до квантової, що є основним інструментом у фізиці мікроміру, включаючи і атомну фізику.