11 класс
§ 61. Планетарная модель атома
Модель атома Томсона.
Учёные не сразу пришли к правильным представлениям о строении атома после того, как поняли, что он имеет сложную структуру. Одну из первых моделей атома предложил в 1903 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940), открывший в 1897 г. электрон.
В модели Томсона положительный заряд атома занимает весь объём атома и распределён в этом объёме с постоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляет собой положительно заряженную сферу радиусом около 10-8 см, внутри которой находится электрон (рис. 10.14). В невозбуждённом атоме электрон покоится в центре сферы. У более сложных атомов в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.
Модель Томсона способна объяснить излучение атомом электромагнитных волн определённой частоты колеблющимися электронами, выведенными из положения равновесия. Но эта модель не объясняет излучение большого числа спектральных линий и не позволяет объяснить спектральные закономерности. Немаловажно и то, что модель Томсона не даёт возможности понять, что определяет размеры атомов. Кроме того, она оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты, проведённые впервые английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871 — 1937), сыграли ключевую роль в создании и развитии атомной физики. Рассмотрим их более подробно.
Опыты Резерфорда.
Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а следовательно, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона, а её положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.
Резерфорд и его сотрудники бомбардировали α-частицами атомы тяжёлых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Тем самым по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.
Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 10.15.
Испускаемый радиоактивным препаратом 1 пучок α-частиц выделялся диафрагмой 2 и после этого падал на тонкую фольгу 3 из исследуемого материала (золото, медь и др.). После рассеяния α-частицы попадали на экран 4, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 5. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы. При этом оказалось, что небольшое число α-частиц (примерно одна из 2000) отклонилось на углы, большие 90°.
Предвидеть такой результат с помощью модели Томсона было нельзя. Положительный заряд, распределённый по объёму всего атома, не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад. Очевидно, что α-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства.
Так Резерфорд пришёл к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. На рисунке 10.16 показаны траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.
Подсчитывая число α-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). Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен порядковому номеру данного химического элемента в таблице Д. И. Менделеева.
Планетарная модель атома.
Результаты экспериментов позволили Резерфорду предложить новую модель атома. Согласно ей, 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 химических элементов Д. И. Менделеева. 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. Модель атома Резерфорда была названа планетарной или ядерной. Планеты притягиваются к Солнцу силами всемирного тяготения, а электроны взаимодействуют с атомным ядром силами кулоновского притяжения.
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 1 и стало рассматриваться как элементарная частица.
1 Согласно современным данным, масса протона равна 1,6726 ∙ 10-27 кг, что примерно в 1800 раз больше массы электрона.
Размер атома — это радиус орбиты его электрона (рис. 10.17).
Планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Однако на её основе нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением. Ускоренно движущийся заряд, согласно классическим законам электродинамики, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру.
Электрон в атоме водорода движется с ускорением, на 23 порядка превышающим ускорение свободного падения!
Как показывают расчёты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за время порядка 10-8 с должен упасть на ядро. Атом должен прекратить своё существование. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбуждённом состоянии могут существовать неограниченно долго, не излучая при этом электромагнитные волны. Данный вывод, не согласующийся с опытом, удалось объяснить только в рамках квантовой теории.
Вопросы:
1. Что представляет собой модель атома Томсона?
2. Опишите схему опытов Резерфорда, представленную на рисунке 10.15.
3. Какие выводы можно сделать на основе результатов опытов Резерфорда?
4. Почему модель атома Резерфорда называют планетарной?
5. Какой приблизительно диаметр имеет атомное ядро?
6. В чём заключаются противоречия планетарной модели атома и законов классической физики?
Вопросы для обсуждения:
1. В одной из своих лекций Резерфорд оценил результаты опытов, проведённых его сотрудниками Гейгером и Марсденом по рассеянию α-частиц при их столкновении с атомами. Ниже приведён фрагмент из этой лекции. «Помню, что ко мне пришёл возбуждённый Гейгер и сказал: „Нам удалось наблюдать α-частицы, возвращающиеся назад..." Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а он вернулся бы назад и угодил бы в вас. ... Это обратное рассеивание должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвёл расчёты, то увидел, что невозможно получить величину того же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре».
а) Какую модель атома предложил Резерфорд на основе опытов по рассеянию α-частиц?
б) Что, согласно этой модели, является в атоме источником сильного электрического поля?
в) Каким зарядом обладает этот источник?
2. Может ли атом при переходе в возбуждённое состояние поглотить произвольную порцию энергии?
