Строение атома. Ядерная модель атома

Поместим перед экраном тонкий слой какого-либо вещества, например золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм. Мы увидим (рис 1), что интенсивность центрального светящегося пятна уменьшится, правда незначительно. В то же время появится некоторое число сцинтилляций.

Рис. 1. Рассеяния a-частиц золотой фольгой 5 вне центрального пучка. Эти сцинтилляции вызваны \(\alpha\)-частицами, которые при прохождении сквозь золотую фольгу изменили направление полета, или, как говорят, рассеялись. Передвигая микроскоп по экрану от центрального пятна наружу, мы установим, что число рассеянных \(\alpha\)-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния. В описанном опыте замечательным является следующее.

Диаметр атома золота равен \(3\cdot10^{-10}\) м. Золотая фольга толщиной 1 мкм содержит \(10-6:(3\cdot10^{-10})=3300\) атомных слоев. В твердом теле атомы расположены почти вплотную. Поэтому при прохождении через фольгу \(\alpha\)-частица должна столкнуться примерно с 3000 атомами золота. Тем не менее, как мы видели, подавляющая доля \(\alpha\)-частиц проходит фольгу и не испытывает при этом заметного рассеяния. На основании этих опытов мы приходим к заключению, что атом золота ни в коем случае нельзя считать непроницаемым. С другой стороны, важно отметить, что некоторые \(\alpha\)-частицы, проходя через фольгу, рассеиваются на большие углы. Чтобы отклонить обладающую колоссальной скоростью \(\alpha\)-частицу на большой угол, нужны громадные силы. Следовательно, внутри атома на \(\alpha\)-частицу могут действовать очень большие силы, но в поле этих сил попадает лишь малая доля пролетающих частиц. Чтобы объяснить эти опыты, английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) предложил (в 1911 г.) ядерную модель строения атома. Согласно ядерной модели, почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть.

Рис. 2. Соударение тяжелого шара с легким. Сплошными стрелками показаны скорости шаров а) до удара; б) после удара; движение тяжелого шара изменяется в результате соударения незначительно (штриховые стрелки – скорости шаров до удара)

Рис. 3. Траектории \(\alpha\)-частиц, пролетающих на разных расстояниях от атомного ядра объема атома. Положительное ядро окружено отрицательными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объем атома, но масса ее ввиду легкости электрона незначительна.

Можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен «упасть» на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, «падение» электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращение его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными, малыми, но вполне определенными порциями – квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать.