Досліди Резерфорда

Вчені не відразу прийшли до правильного розуміння будови атома. Першу модель атома запропонував англійський фізик Дж. Дж. Томсон, який відкрив електрон. Але його модель увійшла в суперечність з дослідами Е. Резерфорда з вивчення розподілу в мікрочастинки позитивного заряду. Ці досліди Резерфорда відіграли головну роль у розумінні того, як влаштований атом.

Було вже відомо, що маса електрона в тисячі разів менше маси самої частинки. Резерфорд зробив припущення: оскільки в цілому атом нейтральний, то основна його маса повинна припадати на позитивно заряджену частину. Для підтвердження цієї гіпотези досліди Резерфорда звелися до наступного.

Він запропонував за допомогою альфа-частинок зондувати атом. Маса електрона приблизно в 8000 разів менше маси alpha - частинок, а швидкість їх вельми велика - вона може досягати двадцяти тисяч кілометрів на секунду. Це були досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок.

Атоми важких елементів бомбардували цими частками. Через малої маси електрони поміняти траєкторію alpha - частинок сильно не могли. Це могла зробити тільки частина атома, позитивно заряджена. Отже, за характером розсіювання альфа-частинок можна буде дізнатися розподіл маси всередині мікрочастинки речовини і позитивного заряду.

Досліди Резерфорда мали наступну схему. Якесь радіоактивна речовина поміщалося всередину циліндра зі свинцю. У цьому циліндрі поздовжньо висвердлюють вузенький канал. Потік alpha - частинок з цього каналу потрапляв на тонку фольгу з досліджуваного матеріалу (мідь, золото та інше). Потім альфа-частинки падали на напівпрозорий екран, який був покритий сульфідом цинку. Кожна частка, стикаючись з екраном, давала спалах світла (сцинтилляций), її можна було побачити в мікроскоп.

Подальші досліди Резерфорда показали, що мале число альфа-частинок (приблизно одна з двох тисяч) відхилялася на кут більше ніж 90 °. Цей факт сильно спантеличив Резерфорда. Він говорив, що це так само неймовірно, як вистрілити снарядом в шматочок тонкого паперу і він повернувся б до вас і завдав удар. Дійсно, передбачити такий результат, грунтуючись на моделі Томсона, неможливо, і Резерфорд припустив, що alpha - частка відкинута назад може бути тільки тоді, коли основна маса атома знаходиться в дуже малій за обсягом просторі. Так досліди Резерфорда допомогли йому прийти до моделі ядра. Це тіло малого розміру, де сконцентрований майже весь позитивний заряд і вся маса мікрочастинки.

Атомна модель безпосередньо випливає з дослідів, які провів Резерфорд. Будова атома за концепцією Резерфорда наступне. Заряджене позитивно ядро знаходиться в центрі. Оскільки атом нейтральний, то число електронів дорівнює порядковому номеру елемента в менделєєвської періодичній системі. Вони рухаються по колу над ядром, як обертаються планети навколо Сонця по своїх орбітах. Рух електронів обумовлено кулоновскими силами. Атом водню містить тільки один електрон, що обертається навколо його ядра. Його атомне ядро несе позитивний заряд і масу, приблизно в 1836 рази більше маси електрона.

Така модель атома мала експериментальне обгрунтування, але на основі даної моделі не можна пояснити стійкість його існування.

Електрони, що рухаються по орбіті, повинні за законами класичної механіки наближатися до ядра через втрати енергії і, врешті-решт, впасти на нього. Насправді електрон не падає на ядро. Мікрочастинки хімічних елементів досить стійкі і можуть існувати дуже довгий час. Висновок про неминуче руйнуванні атома через втрати енергії, який не узгоджується з дослідами Резерфорда, є результат застосування законів класичної механіки до мікромасштабним явищам. Отже, до явищ мікросвіту незастосовні закони класичної фізики.