Планетарна модель Резерфорда, атом в моделі Резерфорда

Відкриття в області будови атома стали важливим кроком у розвитку фізики. Величезне значення мала модель Резерфорда. Атом як система і частинки, його складові, був вивчений більш точно і детально. Це призвело до успішного становленню такої науки, як ядерна фізика.

Античні уявлення про будову речовини

Припущення про те, що оточуючі тіла складаються з найдрібніших частинок, були висловлені ще в античні часи. Мислителі того часу представляли атом у вигляді найдрібнішої і неподільної частинки будь-якої речовини. Вони стверджували, що немає у Всесвіті нічого меншого за розміром, ніж атом. Таких поглядів дотримувалися великі давньогрецькі вчені і філософи - Демокріт, Лукрецій, Епікур. Гіпотези цих мислителів сьогодні об`єднані під назвою «античний атомізм».

Середньовічні уявлення

Часи античності пройшли, і в середні віки також були вчені, які висловлювали різні припущення про будову речовин. Однак переважання релігійних філософських поглядів і влада церкви в той період історії на корені припиняли будь-які спроби і прагнення людського розуму до матеріалістичних наукових висновків і відкриттів. Як відомо, середньовічна інквізиція вельми недружелюбно поводилася з представниками наукового світу того часу. Залишається сказати, що у тодішніх світлих умів було прийшло з античності уявлення про неподільність атома.

Дослідження 18-19 століть

18 століття було відзначено серйозними відкриттями в області елементарного будови речовини. Багато в чому завдяки старанням таких вчених, як Антуан Лавуазьє, Михайло Ломоносов та Джон Дальтон. Незалежно один від одного вони зуміли довести, що атоми дійсно існують. Але питання про їх внутрішню будову залишався відкритим. Кінець 18 століття був відзначений таким знаменною подією в науковому світі, як відкриття Д. І. Менделєєвим періодичної системи хімічних елементів. Це стало по-справжньому потужним проривом того часу і відкрити завісу над розумінням того, що всі атоми мають єдину природу, що вони споріднені один одному. Надалі, в 19 столітті, ще одним важливим кроком на шляху до розгадки будови атома стало доказ того, що в складі будь-якого з них присутня електрон. Робота вчених цього періоду підготувала благодатний грунт для відкриттів 20-го століття.

Експерименти Томсона

Англійський фізик Джон Томсон в 1897 році довів, що до складу атомів входять електрони з негативним зарядом. На цьому етапі хибні уявлення про те, що атом - межа подільності будь-якої речовини, були остаточно зруйновані. Як же Томсон зумів довести існування електронів? Вчений у своїх дослідах поміщав в сильно розріджені гази електроди і пропускав електричний струм. В результаті виникали катодні промені. Томсон ретельно вивчив їх особливості і виявив, що вони є потоком заряджених частинок, які рухаються з величезною швидкістю. Вчений зумів вирахувати масу цих частинок і їх заряд. Він також з`ясував, що їх не можна перетворити в нейтральні частинки, оскільки електричний заряд - це основа їхньої природи. Так були відкриті електрони. Томсон є і творцем першої в світі моделі будови атома. Відповідно до неї, атом - це згусток позитивно зарядженої матерії, в якій рівномірно розподілені негативно заряджені електрони. Така будова пояснює загальну нейтральність атомів, так як протилежні заряди врівноважують один одного. Досліди Джона Томсона стали неоціненно важливими для подальшого вивчення будови атома. Однак багато питань залишалися без відповіді.

Дослідження Резерфорда

Томсон відкрив існування електронів, але він не зумів знайти в атомі позитивно заряджених частинок. Ернест Резерфорд виправив це непорозуміння в 1911 році. Під час експериментів, вивчаючи активність альфа-частинок в газах, він виявив, що в атомі присутні частинки, позитивно заряджені. Резерфорд побачив, що при проходженні променів крізь газ або через тонку металеву пластину відбувається різке відхилення незначної кількості частинок від траєкторії руху. Їх буквально відкидало назад. Вчений здогадався, що така поведінка пояснюється зіткненням з позитивно зарядженими частинками. Такі експерименти дозволили фізику створити модель будови атома Резерфорда.

Планетарна модель

Тепер уявлення вченого дещо відрізнялися від припущень, висловлених Джоном Томсоном. Різними сталі і їх моделі атомів. Досвід Резерфорда дозволив йому створити абсолютно нову теорію в цій галузі. Відкриття вченого мали вирішальне значення для подальшого розвитку фізики. Модель Резерфорда описує атом як ядро, розташоване в центрі, і рухомі навколо нього електрони. Ядро має позитивним зарядом, а електрони - негативним. Модель атома по Резерфорду припускала обертання електронів навколо ядра по певних траєкторіях - орбітах. Відкриття вченого допомогло пояснити причину відхилення альфа-частинок і стало поштовхом до розвитку ядерної теорії атома. У моделі атома Резерфорда простежується аналогія з рухом планет Сонячної системи навколо Сонця. Це дуже точне і яскраве порівняння. Тому модель Резерфорда, атом в якій рухається навколо ядра по орбіті, була названа планетарної.

Роботи Нільса Бора

Двома роками пізніше датський фізик Нільс Бор спробував об`єднати уявлення про будову атома з квантовими властивостями світлового потоку. Ядерна модель атома Резерфорда була покладена вченим в основу його нової теорії. За припущенням Бора, атоми обертаються навколо ядра по кругових орбітах. Така траєкторія руху призводить до прискорення електронів. Крім того, кулонівська взаємодія цих частинок з центром атома супроводжується створенням і витрачанням енергії для підтримки просторового електромагнітного поля, що виникає через рух електронів. За таких умов негативно заряджені частинки повинні коли-небудь впасти на ядро. Але цього не відбувається, що вказує на більшу стійкість атомів як систем. Нільс бор зрозумів, що закони класичної термодинаміки, описані рівняннями Максвелла, не працюють під внутрішньоатомних умовах. Тому вчений поставив перед собою завдання вивести нові закономірності, які були б справедливі у світі елементарних частинок.

Постулати Бора

Багато в чому завдяки тому, що існувала модель Резерфорда, атом і його складові були непогано вивчені, Нільс Бор зміг підійти до створення своїх постулатів. Перший з них свідчить про те, що атом має стаціонарні стани, при яких він не змінює свою енергію, а електрони при цьому рухаються по орбітах, не змінюючи своєї траєкторії. Відповідно до другого постулату, при переході електрона з однієї орбіти на іншу відбувається виділення або поглинання енергії. Вона дорівнює різниці енергій попереднього і наступного станів атома. При цьому, якщо електрон перестрибує на ближчу до ядра орбіту, то відбувається випромінювання енергії (фотона), і навпаки. Незважаючи на те що рух електронів мало нагадує орбітальну траєкторію, розташовану строго по колу, відкриття Бора дозволило отримати чудове пояснення існуванню лінійного спектра атома водню. Приблизно в цей же час вчені-фізики Герц і Франк, що жили в Німеччині, підтвердили вчення Нільса Бора про існування стаціонарних, стабільних станів атома і можливість зміни значень атомної енергії.

Співпраця двох учених

До речі, Резерфорд тривалий час не міг визначити заряд ядра. Вчені Марсден і Гейгер спробували здійснити повторну перевірку тверджень Ернеста Резерфорда і в результаті докладних і ретельних експериментів і розрахунків дійшли висновку про те, що саме ядро є найважливішою характеристикою атома, і в ньому зосереджений весь його заряд. В подальшому було доведено, що значення заряду ядра чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва. Цікаво, що Нільс Бор незабаром познайомився з Резерфордом і повністю погодився з його поглядами. У подальшому вчені тривало працювали разом в одній лабораторії. Модель Резерфорда, атом як система, що складається з елементарних заряджених частинок, - все це Нільс Бор назвав справедливим і назавжди відклав убік свою електронну модель. Спільна наукова діяльність вчених була дуже успішною і принесла свої плоди. Кожен з них заглибився у вивчення властивостей елементарних частинок і зробив значимі для науки відкриття. Пізніше Резерфорд виявив і довів можливість розкладання ядра, але це вже тема іншої статті.