Первые сведения о сложном строении атома были получены при изучении процессов прохождения электрического тока через жидкости. В тридцатых годах XIX в. опыты выдающегося физика М. Фарадея навели на мысль о том, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.
Открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью, стало прямым доказательством сложности строения атома. В 1902 году английские учёные Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди доказали, что при радиоактивном распаде атом урана превращается в два атома – атом тория и атом гелия. Это означало, что атомы не являются неизменными, неразрушимыми частицами.
Модель атома Резерфорда
Исследуя прохождение узкого пучка альфа-частиц через тонкие слои вещества, Резерфорд обнаружил, что большинство альфа-частиц проходит сквозь металлическую фольгу, состоящую из множества тысяч слоёв атомов, не отклоняясь от первоначального направления, не испытывая рассеяния, как будто бы на их пути не было никаких препятствий. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы, испытав действие больших сил.
На основании результатов опытов по наблюдению рассеивания альфа-частиц в веществе Резерфорд предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели строение атома подобно строению солнечной системы. В центре каждого атома имеется положительно заряженное ядро радиусом ≈ 10 -10 м подобно планетам обращаются отрицательно заряженные электроны. Почти вся масса сосредоточена в атомном ядре. Альфа-частицы могут без рассеяния проходить через тысячи слоёв атомов так, как большая часть пространства внутри атомов пуста, а столкновения с лёгкими электронами почти не влияют на движение тяжёлой альфа-частицы. Рассеяние альфа-частиц происходит при столкновениях с атомными ядрами.
Модель атома Резерфорда не смогла объяснить все свойства атомов.
Согласно законам классической физики атом из положительно заряженного ядра и электронов, обращающимся по круговым орбитам, должен излучать электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн должно приводить к уменьшению запаса потенциальной энергии в системе ядро – электрон, к постепенному уменьшению радиуса орбиты электрона и падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитные волны, электроны не падают на атомные ядра, то есть атомы устойчивы.
Квантовые постулаты Н. Бора
Для объяснения устойчивости атомов Нильс Бор предложил отказаться от привычных классических представлений и законов при объяснении свойств атомов.
Основные свойства атомов получают последовательное качественное объяснение на основе принятия квантовых постулатов Н. Бора.
1. Электрон вращается вокруг ядра только по строго определенным (стационарным) круговым орбитам.
2. Атомная система может находиться лишь в определённых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия Е. Атом не излучает энергию в стационарных состояниях.
Стационарное состояние атома с минимальным запасом энергии называется основным состоянием , все остальные состояния называются возбуждёнными (квантовыми) состояниями. В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, время жизни атома в возбуждённом состоянии длится 10 -9 -10 -7 секунды.
3. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия кванта электромагнитного излучения при переходе из стационарного состояния с энергией Е m в состояние с энергией Е n равна разности энергий атома в двух квантовых состояниях:
∆Е = Е m – Е n = hv,
где v – частота излучения, h = 2ph = 6,62 ∙ 10 -34 Дж ∙с.
Квантовая модель строения атома
В дальнейшем некоторые положения теории Н. Бора были дополнены и переосмыслены. Наиболее значительным изменением стало введение понятие об электронном облаке, которое сменило понятие об электроне только как частице. Позже теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом.
Основой современной теории строения атома является планетарная модель, дополненная и усовершенствованная. Согласно данной теории, ядро атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейронов (не имеющих заряда частиц). А вокруг ядра по неопределённым траекториям движутся электроны (отрицательно заряженные частицы).
Остались вопросы? Хотите знать больше о моделях строения атома?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Что это? Это модель атома Резерфорда. Она названа в честь британского физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда, который в 1911 году возвестил об открытии ядра. В ходе своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге он обнаружил, что большинство альфа-частиц напрямую проходили сквозь фольгу, но некоторые отскакивали. Резерфорд предположил, что в районе той небольшой области, от которой они отскакивали, находится положительно заряженное ядро. Это наблюдение привело его к описанию той структуры атома, которая с поправками на квантовую теорию принимается и сегодня. Подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца, электрический заряд атома сосредоточен в ядре, вокруг которого вращаются электроны противоположного заряда, а электромагнитное поле удерживает электроны на орбите ядра. Поэтому модель называется планетарной.
До Резерфорда существовала другая модель атома ― модель вещества Томпсона. В ней не было ядра, она представляла собой положительно заряженный «кекс», наполненный «изюминками» - электронами, которые в нем свободно вращались. Кстати, именно Томпсон и открыл электроны. В современной школе, когда начинают знакомиться с , всегда начинают с этой модели.
Модели атома Резерфорда (слева) и Томпсона (справа)
// wikimedia.org
Квантовая модель, которая сегодня описывает структуру атома, конечно, отличается от той, которую придумал Резерфорд. В движении планет вокруг Солнца нет квантовой механики, а в движении электрона вокруг ядра она есть. Однако понятие орбиты до сих пор осталось в теории строения атома. Но после того, как стало известно, что орбиты квантуются, то есть между ними нет непрерывного перехода, как думал Резерфорд, называть такую модель планетарной стало некорректно. Резерфорд сделал первый шаг в правильном направлении, и развитие теории строения атома пошло по тому пути, который он наметил.
Чем это интересно для науки? Эксперимент Резерфорда открыл ядра. Но все, что мы о них знаем, мы узнали после. Его теория развивалась в течение многих десятилетий, и в ней кроются ответы на фундаментальные вопросы о строении материи.
В модели Резерфорда быстро обнаружили парадоксы, а именно: если заряженный электрон вращается вокруг ядра, то он должен излучать энергию. Мы знаем, что тело, которое движется по кругу с постоянной скоростью, все равно ускоряется, потому что вектор скорости все время поворачивает. А если заряженная частица движется с ускорением, она должна излучать энергию. Это значит, что она должна практически мгновенно потерять ее всю и упасть на ядро. Поэтому классическая модель атома не до конца согласуется сама с собой.
Тогда стали появляться физические теории, которые пытались преодолеть это противоречие. Важное дополнение в модель строения атома внес Нильс Бор. Он обнаружил, что вокруг атома существует несколько квантовых орбит, по которым перемещается электрон. Он предположил, что электрон излучает энергию не все время, а только перемещаясь с одной орбиты на другую.
Модель атома Бора
// wikimedia.org
А вслед за боровской моделью атома появился принцип неопределенности Гейзенберга, который наконец объяснял, почему падение электрона на ядро невозможно. Гейзенберг обнаружил, что в возбужденном атоме электрон находится на дальних орбитах, а в момент, когда он излучает фотон, он падает на основную орбиту, потеряв свою энергию. Атом же переходит в устойчивое состояние, при котором электрон будет вращаться вокруг ядра до тех пор, пока его ничто не возбуждает снаружи. Это стабильное состояние, дальше которого электрон падать не будет.
Благодаря тому, что основное состояние атома - это устойчивое состояние, материя существует, мы все существуем. Без квантовой механики у нас вообще не было бы устойчивой материи. В этом смысле основной вопрос, который неспециалист может задать квантовой механике, - это почему все вообще не падает? Почему все вещество не собирается в точку? И квантовая механика способна ответить на этот вопрос.
Зачем это знать? В некотором смысле эксперимент Резерфорда повторился снова при открытии кварков. Резерфорд открыл, что положительные заряды - протоны - сосредоточены в ядрах. А что внутри протонов? Теперь мы знаем, что внутри протонов находятся кварки. Мы узнали это, проведя аналогичный эксперимент по глубокому неупругому рассеянию электронов на протонах в 1967 году в SLAC (Национальной ускорительной лаборатории, США).
Этот эксперимент проводился по тому же принципу, что и эксперимент Резерфорда. Тогда падали альфа-частицы, а здесь электроны падали на протоны. В результате столкновения протоны могут оставаться протонами, а могут возбудиться из-за большой энергии, и тогда при рассеянии протонов могут рождаться другие частицы, например пи-мезоны. Выяснилось, что это сечение ведет себя так, как будто внутри протонов есть точечные составляющие. Сейчас мы знаем, что эти точечные составляющие - кварки. В каком-то смысле это был опыт Резерфорда, но уже на следующем уровне. С 1967 года мы уже имеем кварковую модель. Но что будет дальше, мы не знаем. Теперь нужно что-то рассеивать на кварках и смотреть, на что они развалятся. Но это следующий шаг, пока это сделать не удается.
Кроме того, с именем Резерфорда связан важнейший сюжет из истории отечественной науки. В его лаборатории работал Петр Леонидович Капица. В начале 1930-х ему запретили выезжать из страны, и он был вынужден остаться в Советском Союзе. Узнав об этом, Резерфорд переслал Капице все приборы, которые были у него в Англии, и таким образом помог создать в Москве Институт физических проблем. То есть благодаря Резерфорду состоялась существенная часть советской физики.
Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 10.03.2016 18:27 Просмотров: 5164
Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.
Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.
Открытие электрона. Модель атома Томсона
Джозеф Джон Томсон
В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.
Модель атома Томсона
Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".
Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.
Опыт Резерфорда
Эрнест Резерфорд
Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.
Опыт Резерфорда
Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.
Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.
Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.
Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .
Планетарная модель атома Резерфорда
Модель атома Резерфорда
Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.
Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.
Почему атом существует
Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?
Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .
Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.
>> Строение атома. Опыты Резерфорда
Глава 12. АТОМНАЯ ФИЗИКА
Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц - законы квантовой механики.
§ 93 СТРОЕНИЕ АТОМА. ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА
Модель Томсона. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10 -8 см, внутри которого находится электрон . У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.
Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.
Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.
Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.
Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.
Резерфорд Эрнест (1871 - 1937) - великий английский физик, уроженец Новой Зеландии. Своими экспериментальными открытиями заложил основы современного учения о строении атома и радиоактивности. Первым исследовал состав радиоактивных веществ. Открыл атомное ядро и впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер. Все поставленные им опыты носили фундаментальный характер, отличались исключительной простотой и ясностью.
Рассеяние (изменение направления движения) -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 12.1.
Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра l, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок - частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.
При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных топким пучком -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.
Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение -частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».
В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить -частицу назад. Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона :
где q - заряд -частицы; q - положительный заряд атома; R - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая -частицы.
Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.
На рисунке 12.2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.
Подсчитывая число -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 -10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10-100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева .
Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.
В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома водорода - это радиус орбиты его электрона (рис. 12.3).
Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется со вершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию -частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движе ние электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.
В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Не согласующийся с опытом вывод о неизбененой гибели атома вследствие потери энергии на излучение - это рс зультат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.
Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обра1ца ются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована эксне-риментально, но не позволяет объяснить устойчивсхть а тома.
1. Почему отрицательно заряженные частицы атома не оказывают заметного влияния на рассеяние -частиц!
2. Почему -частицы не могли бы рассеиваться на большие углы, если бы положительный заряд атома был распределен по всему его объему!
3. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики !
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Сборник конспектов уроков по физике скачать , календарно-тематическое планирование, учебники по всем предметам онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиТема этого занятия - «Модели атомов. Опыт Резерфорда». На нём мы узнаем, как происходило изучение учеными сложной структуры атомов, как нашли объяснение этой теории, где полученные знания применяются на сегодняшний день. Также мы рассмотрим, как с помощью опыта Резерфорда можно изучить модель атома.
На предыдущем уроке мы обсудили, что в результате радиоактивности образуются различные виды излучений: a-, b-, и g-лучи. Появился инструмент, при помощи которого можно было изучать строение атома.
После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.
Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном , который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10 -10 м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» - это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» - это электроны (рис. 1).
Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)
Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду . На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.
Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда (рис. 2) и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.
Рис. 2. Схема опыта Резерфорда
Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.
Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.
В первую очередь здесь потерпела крах теория Томсона. По теории Томсона, атом представляет собой шар размером 10 -10 м, в котором положительный заряд размазан и есть электрон. Так вот, электроны - это очень маленькие частицы, они не могут препятствовать a-частицам, летящим с приличной скоростью. Скорость a-частиц в данном случае составляла около 10000 км/с.
Представьте себе ситуацию, когда грузовик столкнется с игрушечным автомобилем. Понятно, что грузовик даже не заметит такого автомобиля. Это мы можем привести как аналогию столкновения электрона с a-частицей. Значит, необходимо было сделать вывод, что атом устроен иначе, не так, как утверждал Томсон. И, видимо, в атоме золота есть объект более массивный, чем a-частица, имеющий положительный заряд.
Давайте посмотрим еще одну картину, которая характеризует рассеивание a-частиц на той массивной частице, наличие которой предсказал Резерфорд в атоме (рис. 3).
Рис. 3. Рассеивание альфа-частиц По результатам опытов можно было говорить, что в атоме есть массивный положительно заряженный объект. a-частица, сталкиваясь с этой большой частицей, может отразиться обратно. Те частицы, которые пролетают рядом, отклоняются на разные углы. Чем дальше a-частица пролетает от этого объекта, тем на меньший угол они отклоняются. Такое явление получило название «рассеивание a-частиц ».
Крупную частицу, которая находится внутри атома, Резерфорд назвал ядром. И даже оценил его размеры. По оценке Резерфорда, размеры ядра составили 10 -14 -10 -15 м. Этот объект был очень и очень мал по своим размерам по сравнению с атомом. Атом имеет размер порядка 10 -10 м. При этом практически вся масса атома была сосредоточена именно в ядре. И именно вокруг ядра обращаются электроны.
Отсюда следует планетарная модель Резерфорда, которая утверждает, что атом представляет собой массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по своим орбитам обращаются электроны (рис. 4). В целом атом электронейтрален, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома избыток или недостаток электронов, то его называют ион.
Рис. 4. Планетарная модель атома
Конечно, были и другие теории, представляющие интерес. На сегодняшний день общепринятой, с некоторыми оговорками, о которых поговорим позднее, является именно планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом.
Список литературы
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. - М.: Наука, 1980.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. - М.: «Просвещение».
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. - М.: Наука.
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа.
- Ньютон И. Математические начала натуральной философии. - М.: Наука, 1989.
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. - М.: Наука.
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. - М.: Наука.
- Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. - М.: Наука, 1965.