Кто является автором планетарной модели атома. Модели строения атомов

Планетарную модель атома предложил Э. Резерфорд в 1910 году. Первые исследования структуры атома были сделаны им при помощи альфа-частиц. На основе результатов, полученных в экспериментах по их рассеянию, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в его центре. С другой стороны, отрицательно заряженные электроны распределены внутри всего остального его объема.

Немного предыстории

Первую гениальную догадку о существовании атомов сделал древнегреческий ученый Демокрит. С тех пор идея о существовании атомов, комбинации которых дают все окружающие нас вещества, не покидала воображения людей науки. Периодически к ней обращались различные ее представители, но до начала XIX века их построения были всего лишь гипотезами, не подкрепленными опытными данными.

Наконец, в 1804 году, более чем за сто лет до того как появилась планетарная модель атома, английский ученый Джон Дальтон представил доказательства его существования и ввел понятие атомного веса, явившееся его первой количественной характеристикой. Как и его предшественники, он представлял атомы мельчайшими частями материи, похожими на твердые шарики, которые не могут быть разделены на еще более мелкие частицы.

Открытие электрона и первая модель атома

Прошло почти целое столетие, когда, наконец, в конце XIX века также англичанин Дж. Дж. Томсон открыл первую субатомную частицу, отрицательно заряженный электрон. Поскольку атомы электрически нейтральны, Томсон думал, что они должны состоять из положительно заряженного ядра с электронами, разбросанными по его объему. Основываясь на различных результатах, полученных экспериментально, он в 1898 году предложил свою модель атома, иногда называемую «сливы в пудинге», потому что атом в ней представлялся в виде сферы, заполненной некоторой положительно заряженной жидкостью, в которую электроны были внедрены, как «сливы в пудинг». Радиус такой сферической модели был около 10 -8 см. Общий положительный заряд жидкости симметрично и равномерно сбалансирован отрицательными зарядами электронов, как показано на рисунке ниже.

Эта модель удовлетворительно объясняла то обстоятельство, что при нагревании вещества оно начинает излучать свет. Хотя это была первая попытка понимания того, что же такое атом, она не смогла удовлетворить результатам экспериментов, выполненных позже Резерфордом и другими. Томсон в 1911 году согласился, что его модель просто не может ответить, как и почему происходит наблюдаемое в опытах рассеяние α-лучей. Поэтому она была оставлена, а на смену ей пришла более совершенная планетарная модель атома.

Как же все таки устроен атом?

Эрнест Резерфорд дал объяснение явления радиоактивности, которое принесло ему Нобелевскую премию, однако его наиболее значительный вклад в науку был сделан позднее, когда он установил, что атом состоит из плотного ядра, окруженного орбитами электронов, подобно тому, как Солнце окружено орбитами планет.

Согласно планетарной модели атома, большая часть его массы сконцентрирована в крошечном (по сравнению с размерами всего атома) ядре. Электроны двигаются вокруг ядра, путешествуя с невероятной скоростью, но большая часть объема атомов является при этом пустым пространством.

Размер ядра настолько мал, что его диаметр в 100 000 раз меньше, чем у атома. Диаметр ядра была оценен Резерфордом как 10 -13 см, в отличие от размера атома - 10-8 см. За пределами ядра электроны вращаются вокруг него с высокими скоростями, в результате чего возникают центробежные силы, уравновешивающие электростатические силы притяжения между протонами и электронами.

Опыты Резерфорда

Планетарная модель атома возникла в 1911, после знаменитого эксперимента с золотой фольгой, позволившего получить некоторые фундаментальные сведения о его строении. Путь Резерфорда к открытию атомного ядра является хорошим примером роли творчества в науке. Его поиски начались еще в 1899 году, когда он обнаружил, что некоторые элементы испускают положительно заряженные частицы, которые могут проникать через что угодно. Он назвал эти частицы альфа (α) частицами (теперь мы знаем, что они были ядрами гелия). Как и все хорошие ученые, Резерфорд был любопытен. Он задавался вопросом, можно ли использовать альфа-частицы, чтобы узнать структуру атома. Резерфорд решил нацелить луч альфа-частиц на лист очень тонкой золотой фольги. Он выбрал золото, потому что из него можно получать листы толщиной всего 0,00004 см. За листом золотой фольги он поставил экран, который светился, когда альфа-частицы ударяли в него. Его использовали для обнаружения альфа-частиц после их прохождения через фольгу. Небольшая прорезь в экране позволяла лучу альфа-частиц достичь фольги после выхода из источника. Часть из них должна пройти сквозь фольгу и продолжать двигаться в том же направлении, другая их часть должна отскакивать от фольги и отражаться под острыми углами. Вы можете увидеть схему эксперимента на рисунке ниже.

Что же получилось в опыте Резерфорда?

Исходя из модели атома Дж. Дж. Томсона, Резерфорд предполагал, что сплошные области положительного заряда, заполняющие весь объем золотых атомов, будут отклонять или сгибать траектории всех альфа-частиц, когда они проходят через фольгу.

Однако подавляющее большинство альфа-частиц прошло прямо через золотую фольгу, как будто ее и не было. Казалось, они проходят через пустое пространство. Лишь немногие из них отклоняются от прямого пути, как и предполагалось вначале. Ниже приведен график зависимости количества частиц, рассеянных в соответствующем направлении, от угла рассеяния.

Удивительно, но крошечный процент частиц возвращался от фольги, как баскетбольный мяч отскакивает от щита. Резерфорд понял, что эти отклонения были результатом прямого столкновения между альфа-частицами и положительно заряженными компонентами атома.

Ядро занимает центральное место

Исходя из ничтожного процента отразившихся от фольги альфа-частиц, можно сделать вывод, что весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены в одной маленькой области, а в остальной части атома в основном находится пустое пространство. Резерфорд назвал площадь концентрированного положительного заряда ядром. Он предсказал и вскоре обнаружил, что оно содержит положительно заряженные частицы, которые он назвал протонами. Резерфорд предсказал существование нейтральных атомных частиц, называемых нейтронами, но он не смог обнаружить их. Тем не менее его ученик Джеймс Чедвик открыл их через несколько лет. На рисунке ниже показана структура ядра атома урана.

Атомы состоят из положительно заряженных тяжелых ядер, окруженных вращающимися вокруг них отрицательно заряженными чрезвычайно легкими частицами-электронами, причем на таких скоростях, что механические центробежные силы просто балансируют их электростатическое притяжение к ядру, и в этой связи якобы обеспечивается стабильность атома.

Недостатки этой модели

Основная идея Резерфорда относилась к идее малоразмерного атомного ядра. Предположение об орбитах электронов было чистой гипотезой. Он не знал точно, где и как электроны вращаются вокруг ядра. Поэтому планетарная модель Резерфорда не объясняет распределение электронов на орбитах.

Кроме того, стабильность атома Резерфорда была возможна только при непрерывном движении электронов по орбитам без потерь кинетической энергии. Но электродинамические расчеты показали, что движение электронов по любым криволинейным траекториям, сопровождающееся изменением направления вектора скорости и появлением соответствующего ускорения, неизбежно сопровождается излучением электромагнитной энергии. При этом, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия электрона должна очень быстро израсходоваться на излучение, и он должен упасть на ядро, как схематически показано на рисунке ниже.

Но этого не происходит, так как атомы являются стабильными образованиями. Возникло типовое для науки противоречие между моделью явления и опытными данными.

От Резерфорда к Нильсу Бору

Следующий крупный шаг вперед в атомной истории произошел в 1913 году, когда датский ученый Нильс Бор опубликовал описание более детальной модели атома. Она определяла более четко места, где могут находиться электроны. Хотя позже ученые будут развивать и более изысканные атомные конструкции, но планетарная модель атома Бора была в основном правильной, и многое из нее принимается до сих пор. Она имела множество полезных приложений, например с ее помощью объясняют свойства различных химических элементов, характер спектра их излучений и строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились важнейшими вехами, обозначившими появление нового направления в физике - физики микромира. Бор получил Нобелевскую премию 1922 по физике за его вклад в наше понимание структуры атома.

Что же нового привнес Бор в модель атома?

Будучи еще молодым человеком, Бор работал в лаборатории Резерфорда в Англии. Поскольку в модели Резерфорда была слабо проработана концепция электронов, Бор сосредоточился именно на них. В результате была существенно доработана планетарная модель атома. Постулаты Бора, которые он сформулировал в своей статье «О строении атомов и молекул», вышедшей в 1913 году, гласят:

1. Электроны могут двигаться вокруг ядра только на фиксированных расстояниях от него, определяемых тем количеством энергии, которое у них есть. Он назвал эти фиксированные уровни энергетическими уровнями или электронными оболочками. Бор представлял их в виде концентрических сфер, с ядром в центре каждой из них. При этом электроны с меньшей энергией будут найдены на более низких уровнях, ближе к ядру. Те же из них, у кого больше энергии, будут найдены на более высоких уровнях, дальше от ядра.

2. Если электрон поглощает некоторое (вполне определенное для данного уровня) количество энергии, то он будет прыгать на следующий, более высокий энергетический уровень. И наоборот, если он потеряет такое ​​же количество энергии, то вернется назад к исходному уровню. Однако электрон не может существовать на двух энергетических уровнях.

Эта идея иллюстрируются рисунком.

Энергетические порции для электронов

Модель атома Бора на самом деле является сочетанием двух различных идей: атомной модели Резерфорда с электронами, вращающимися вокруг ядра (по сути это планетарная модель атома Бора-Резерфорда), и идеи немецкого ученого Макса Планка о квантовании энергии вещества, опубликованной в 1901 году. A квант (во множественном числе - кванты) является минимальным количеством энергии, которая может быть поглощена или излучена веществом. Он является своего рода шагом дискретизации количества энергии.

Если энергию сравнить с водой и вы хотите добавить ее к материи в виде стакана, вы не можете просто залить воду непрерывной струей. Вместо этого вы можете добавить ее в небольших количествах, например, по чайной ложке. Бор считал, что если электроны могут поглощать или терять только фиксированные количества энергии, то они должны варьировать свою энергию только этими фиксированными количествами. Таким образом, они могут занимать только фиксированные энергетические уровни вокруг ядра, которые соответствуют квантованным приращениям их энергии.

Так из модели Бора вырастает квантовый подход к объяснению, что же из себя представляет строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились своеобразными ступенями от классической физики к квантовой, являющейся основным инструментом в физике микромира, включая и атомную физику.

Лекция: Планетарная модель атома

Строение атома

Наиболее точный способ определения структуры любого вещества - это спектральный анализ. Излучение у каждого атома элемента исключительно индивидуальное. Однако, прежде, чем понять, каким образом происходит спектральный анализ, разберемся, какую структуру имеет атом любого элемента.

Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона - за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась "пудингом с изюмом".

Томсон считал, что атом является сплошным шаром, имеющим отрицательный электрический заряд. Для его компенсации в шар вкраплены электроны, как изюминки. В сумме заряд электронов совпадает с зарядом всего ядра, что делает атом нейтральным.

ВО время изучения строения атома выяснили, что все атомы в твердых телах совершают колебательные движения. А, как известно, любая двигающаяся частица излучает волны. Именно поэтому каждый атом имеет свой собственный спектр. Однако данные утверждения никак не вкладывались в модель Томсона.

Опыт Резерфорда

Чтобы подтвердить или опровергнуть модель Томсона, Резерфордом был предложен опыт, в результате которого происходила бомбардировка атома некоторого элемента альфа-частицами. В результате данного эксперимента было важно увидеть, как будет вести себя частица.

Альфа частицы были открыты в результате радиоактивного распада радия. Их потоки представляли собой альфа-лучи, каждая частица которых имела положительный заряд. В результате многочисленных изучений было определено, что альфа-частица походит на атом гелия, в котором отсутствуют электроны. Используя нынешние знания, мы знаем, что альфа частица - это ядро гелия, в то время Резерфорд считал, что это были ионы гелия.

Каждая альфа-частица имела огромную энергию, в результате чего она могла лететь на рассматриваемые атомы с высокой скоростью. Поэтому основным результатом эксперимента являлось определение угла отклонения частицы.

Для проведения опыта Резерфорд использовал тонкую фольгу из золота. На нее он направлял высокоскоростные альфа-частицы. Он предполагал, что в результате данного эксперимента все частицы будут пролетать сквозь фольгу, причем с небольшими отклонениями. Однако, чтобы выяснить это наверняка, он поручил своим ученикам проверить, нет ли больших отклонений у данных частиц.

Результат эксперимента удивил абсолютно всех, ведь очень многие частицы не просто отклонились на достаточно большой угол - некоторые углы отклонения достигали более 90 градусов.

Данные результаты удивили абсолютно всех, Резерфорд говорил, что такое чувство, будто на пути снарядов был поставлен листок бумаги, который не дал альфа-частице проникнуть во внутрь, в результате чего, она повернулась обратно.

Если бы атом действительно был сплошным, то он должен был иметь некоторое электрическое поле, которое затормаживало частицу. Однако, сила поля была недостаточной, чтобы остановить её полностью, а уж тем более отбросить обратно. А это значит, что модель Томсона была опровергнута. Поэтому Резерфорд начал работать над новой моделью.

Чтобы получить такой результат эксперимента, необходимо сосредоточить положительный заряд в меньшем размере, в результате чего получится большее электрическое поле. По формуле потенциала поля можно определить необходимый размер положительной частицы, которая смогла бы оттолкнуть альфа-частицу в противоположном направлении. Радиус её должен быть порядка максимум 10 -15 м . Именно поэтому Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Данная модель названа так неспроста. Дело в том, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, подобное Солнцу в Солнечной системе. Вокруг ядра, как планеты вращаются электроны. Солнечная система устроена таким образом, что планеты притягиваются к Солнцу с помощью гравитационных сил, однако, они не падают на поверхность Солнца в результате имеющейся скорости, которая держит их на своей орбите. То же самое происходит и с электронами - кулоновские силы притягивают электроны к ядру, но за счет вращения они не падают на поверхность ядра.

Одно предположение Томсона оказалось абсолютно верно - суммарный заряд электронов соответствует заряду ядра. Однако в результате сильного взаимодействия электроны могут быть выбиты со своей орбиты, в результате чего заряд не компенсируется и атом превращается в положительно заряженный ион.

Очень важной информации относительно строения атома является то, что практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Например, у атома водорода имеется всего один электрон, чья масса более, чем в полторы тысячи раз меньше, чем масса ядра.

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.

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 Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощьюα -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 α -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 α -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α -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 тонким пучком α -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α -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 интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона:

где q α - заряд α -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, отталкивающаяα -частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, 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 пришел к идее атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Планетарная модель атома , или модель Резерфорда , - историческая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики. Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга»Джозефа Джона Томсона, которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома.

Одна из первых моделей строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1904 г. Атом представлялся как «море положительного электричества» с колеблющимися в нем электронами. Суммарный отрицательный заряд электронов электронейтрального атома приравнивался его суммарному положительному заряду.

Опыт Резерфорда

Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения строения атома Э. Резерфорд организовал серию опытов по рассеянию α -частиц тонкими металлическими пластинками - фольгой. В 1910 г. студенты Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден проводили эксперименты по бомбардировке α -частицами тонких металлических пластинок. Они обнаружили, что большинство α -частиц проходят через фольгу, не изменяя своей траектории. И это было неудивительно, если принять правильность модели атома Томсона.

Источник α -излучения помещали в свинцовый кубик с просверленным в нем каналом, так что удавалось получить поток α -частиц, летящих в определенном направлении. Альфа-частицы являются двукратно ионизированными атомами гелия (Не 2+ ). Они имеют положительный заряд +2 и массу, почти в 7350 раз превышающую массу электрона. Попадая на экран, покрытый сульфидом цинка, α -частицы вызывали его свечение, причем в лупу можно было увидеть и подсчитать отдельные вспышки, возникающие на экране при попадании на него каждой α -частицы. Между источником излучения и экраном помещали фольгу. По вспышкам на экране можно было судить о рассеянии α -частиц, т.е. об их отклонении от первоначального направления при прохождении через слой металла.

Оказалось, что большинство α -частиц проходит через фольгу, не изменяя своего направления, хотя толщина фольги соответствовала сотням тысяч атомных диаметров. Но некоторая доля α -частиц все же отклонялась на небольшие углы, а изредка α -частицы резко изменяли направление своего движения и даже (примерно 1 из 100000) отбрасывались назад, как бы натолкнувшись на массивное препятствие. Случаи такого резкого отклонения α -частиц можно было наблюдать, перемещая экран с лупой по дуге.

Из результатов этого эксперимента можно было сделать следующие выводы:

1. В атоме есть некоторое «препятствие», которое было названо ядром.
2. Ядро имеет положительный заряд (иначе положительно заряженные α -частицы не отражались бы назад).
3. Ядро имеет очень маленькие размеры по сравнению с размерами самого атома (лишь незначительная часть α -частиц изменяла направление движения).
4. Ядро имеет большую массу, по сравнению с массой α -частиц.

Результаты опыта Резерфорд объяснил, предложив «планетарную» модель атома , уподоблявшую его солнечной системе. Согласно планетарной модели в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100000 раз меньше размеров самого атома. Это ядро заключает в себе почти всю массу атома и несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, число которых определяется зарядом ядра. Внешняя траектория движения электронов определяет внешние размеры атома. Диаметр атома - величина порядка 10 -8 см, а диаметр ядра - порядка 10 -13 ÷10 -12 см.

Чем больше заряд атомного ядра, тем сильнее будет отталкиваться от него α -частица, тем чаще будут встречаться случаи сильных отклонений α -частиц, проходящих через слой металла, от первоначального направления движения. Поэтому опыты по рассеянию α -частиц дают возможность не только обнаружить существование атомного ядра, но и определить его заряд. Уже из опытов Резерфорда следовало, что заряд ядра (выраженный в единицах заряда электрона) численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Это было подтверждено Г. Мозли , установившим в 1913 г. простую связь между длинами волн определенных линий рентгеновского спектра элемента и его порядковым номером, и Д. Чедвиком , с большой точностью определившим в 1920 г. заряды атомных ядер ряда элементов по рассеянию α -частиц.

Был установлен физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе: порядковый номер оказался важнейшей константой элемента, выражающей положительный заряд ядра его атома. Из электронейтральности атома следует, что и число вращающихся вокруг ядра электронов равно порядковому номеру элемента.

Это открытие дало новое обоснование расположению элементов в периодической системе. Вместе с тем оно устраняло и кажущееся противоречие в системе Менделеева - положение некоторых элементов с большей атомной массой впереди элементов с меньшей атомной массой (теллур и йод, аргон и калий, кобальт и никель). Оказалось, что противоречия здесь нет, так как место элемента в системе определяется зарядом атомного ядра. Было экспериментально установлено, что заряд ядра атома теллура равен 52, а атома йода - 53; поэтому теллур, несмотря на большую атомную массу, должен стоять до йода. Точно так же заряды ядер аргона и калия, никеля и кобальта полностью отвечают последовательности расположения этих элементов в системе.

Итак, заряд атомного ядра является той основной величиной, от которой зависят свойства элемента и его положение в периодической системе. Поэтому периодический закон Менделеева в настоящее время можно сформулировать следующим образом:

Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов

Определение порядковых номеров элементов по зарядам ядер их атомов позволило установить общее число мест в периодической системе между водородом, имеющим порядковый номер 1, и ураном (порядковый номер 92), считавшимся в то время последним членом периодической системы элементов. Когда создавалась теория строения атома, оставались незанятыми места 43, 61, 72, 75, 85 и 87, что указывало на возможность существования еще неоткрытых элементов. И действительно, в 1922 г. был открыт элемент гафний, который занял место 72; затем в 1925 г. - рений, занявший место 75. Элементы, которые должны занять остальные четыре свободных места таблицы, оказались радиоактивными и в природе не найдены, однако их удалось получить искусственным путем. Новые элементы получили названия технеций (порядковый номер 43), прометий (61), астат (85) и франций (87). В настоящее время все клетки периодической системы между водородом и ураном заполнены. Однако сама периодическая система не является завершенной.

Атомные спектры

Планетарная модель была крупным шагом в теории строения атома. Однако в некоторых отношениях она противоречила твердо установленным фактам. Рассмотрим два таких противоречия.

Во-первых, теория Резерфорда не могла объяснить устойчивости атома. Электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, должен, подобно колеблющемуся электрическому заряду, испускать электромагнитную энергию в виде световых волн. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, что приводит к нарушению равновесия между центробежной силой, связанной с вращением электрона, и силой электростатического притяжения электрона к ядру. Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Таким образом, электрон, непрерывно излучая электромагнитную энергию и двигаясь по спирали, будет приближаться к ядру. Исчерпав всю свою энергию, он должен «упасть» на ядро, и атом прекратит свое существование. Этот вывод противоречит реальным свойствам атомов, которые представляют собой устойчивые образования, и могут существовать, не разрушаясь, чрезвычайно долго.

Во-вторых, модель Резерфорда приводила к неправильным выводам о характере атомных спектров. При пропускании через стеклянную или кварцевую призму света, испускаемого раскаленным твердым или жидким телом, на экране, поставленном за призмой, наблюдается так называемый сплошной спектр, видимая часть которого представляет собой цветную полосу, содержащую все цвета радуги. Это явление объясняется тем, что излучение раскаленного твердого или жидкого тела состоит из электромагнитных волн всевозможных частот. Волны различной частоты неодинаково преломляются призмой и попадают на разные места экрана. Совокупность частот электромагнитного излучения, испускаемого веществом, и называется спектром испускания. С другой стороны, вещества поглощают излучение определенных частот. Совокупность последних называется спектром поглощения вещества.

Для получения спектра вместо призмы можно воспользоваться дифракционной решеткой. Последняя представляет собой стеклянную пластинку, на поверхности которой на очень близком расстоянии друг от друга нанесены тонкие параллельные штрихи (до 1500 штрихов на 1 мм). Проходя сквозь такую решетку, свет разлагается и образует спектр, аналогичный полученному при помощи призмы. Дифракция присуща всякому волновому движению и служит одним из основных доказательств волновой природы света.

При нагреве вещество испускает лучи (излучение). Если излучение имеет одну длину волны, то оно называется монохроматическим. В большинстве же случаев излучение характеризуется несколькими длинами волн. При разложении излучения на монохроматические компоненты получают спектр излучения, где отдельные его составляющие выражаются спектральными линиями.

Спектры, получающиеся при излучении свободными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах), называются атомными спектрами.

Излучение, испускаемое твердыми телами или жидкостями, всегда дает сплошной спектр. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Так, пары калия дают - спектр, состоящий из трех линий, - двух красных и одной фиолетовой; в спектре паров кальция несколько красных, желтых и зеленых линий и т.д.

Излучение, испускаемое твердыми телами или жидкостями, всегда дает сплошной спектр. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Так, пары калия дают спектр, состоящий из трех линий, - двух красных и одной фиолетовой; в спектре паров кальция несколько красных, желтых и зеленых линий и т.д.

Такие спектры называются линейчатыми. Было установлено, что свет, испускаемый атомами газов, имеет линейчатый спектр, в котором спектральные линии могут быть объединены в серии.

В каждой серии расположение линий соответствует определенной закономерности. Частоты отдельных линий могут быть описаны формулой Бальмера :

Тот факт, что атомы каждого элемента дают вполне определенный, присущий только этому элементу спектр, причем интенсивность соответствующих спектральных линий тем выше, чем больше содержание элемента во взятой пробе, широко применяется для определения качественного и количественного состава веществ и материалов. Этот метод исследования называется спектральным анализом .

Планетарная модель строения атома оказалась неспособной объяснить линейчатый спектр испускания атомов водорода и тем более объединение линий спектра в серии. Электрон, вращающийся вокруг ядра, должен приближаться к ядру, непрерывно меняя скорость своего движения. Частота испускаемого им света определяется частотой его вращения и, следовательно, должна непрерывно меняться. Это означает, что спектр излучения атома должен быть непрерывным, сплошным. Согласно данной модели частота излучения атома должна равняться механической частоте колебаний или быть кратной ей, что не согласуется с формулой Бальмера. Таким образом, теория Резерфорда не смогла объяснить ни существования устойчивых атомов, ни наличия у них линейчатых спектров.

Квантовая теория света

В 1900 г. М. Планк показал, что способность нагретого тела к лучеиспусканию можно правильно количественно описать, только предположив, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями - квантами. При этом энергия Е каждой такой порции связана с частотой излучения соотношением, получившим название уравнения Планка :

Сам Планк долгое время полагал, что испускание и поглощение света квантами есть свойство излучающих тел, а не самого излучения, которое способно иметь любую энергию и поэтому могло бы поглощаться непрерывно. Однако в 1905 г. Эйнштейн , анализируя явление фотоэлектрического эффекта, пришел к выводу, что электромагнитная (лучистая) энергия существует только в форме квантов и что, следовательно, излучение представляет собой поток неделимых материальных «частиц» (фотонов), энергия которых определяется уравнением Планка .

Фотоэлектрическим эффектом называется испускание металлом электронов под действием падающего на него света. Это явление было подробно изучено в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым . Если поместить установку в вакуум и подать на пластинку М отрицательный потенциал, то тока в цепи наблюдаться не будет, поскольку в пространстве между пластинкой и сеткой нет заряженных частиц, способных переносить электрический ток. Но при освещении пластинки источником света гальванометр обнаруживает возникновение тока (называемого фототоком), носителями которого служат электроны, вырываемые светом из металла.

Оказалось, что при изменении интенсивности освещения изменяется только число испускаемых металлом электронов, т.е. сила фототока. Но максимальная кинетическая энергия каждого вылетевшего из металла электрона не зависит от интенсивности освещения, а изменяется только при изменении частоты падающего на металл света. Именно с увеличением длины волны (т.е. с уменьшением частоты) энергия испускаемых металлом электронов уменьшается, а затем, при определенной для каждого металла длине волны, фотоэффект исчезает и не проявляется даже при очень высокой интенсивности освещения. Так, при освещении красным или оранжевым светом натрий не проявляет фотоэффекта и начинает испускать электроны только при длине волны, меньшей 590 нм (желтый свет); у лития фотоэффект обнаруживается при еще меньших длинах волн, начиная с 516 нм (зеленый свет); а вырывание электронов из платины под действием видимого света вообще не происходит и начинается только при облучении платины ультрафиолетовыми лучами.

Эти свойства фотоэлектрического эффекта совершенно необъяснимы с позиций классической волновой теории света, согласно которой эффект должен определяться (для данного металла) только количеством энергии, поглощаемой поверхностью металла в единицу времени, но не должен зависеть от типа излучения, падающего на металл. Однако эти же свойства получают простое и убедительное объяснение, если считать, что излучение состоит из отдельных порций, фотонов, обладающих вполне определенной энергией.

В самом деле, электрон в металле связан с атомами металла, так что для его вырывания необходима затрата определенной энергии. Если фотон обладает нужным запасом энергии (а энергия фотона определяется частотой излучения), то электрон будет вырван, фотоэффект будет наблюдаться. В процессе взаимодействия с металлом фотон полностью отдает свою энергию электрону, потому что дробиться на части фотон не может. Энергия фотона будет частично израсходована па разрыв связи электрона с металлом, частично на сообщение электрону кинетической энергии движения. Поэтому максимальная кинетическая энергия выбитого из металла электрона не может быть больше разности между энергией фотона и энергией связи электрона с атомами металла. Следовательно, при увеличении числа фотонов, падающих на поверхность металла в единицу времени (т.е. при повышении интенсивности освещения), будет увеличиваться только число вырываемых из металла электронов, что приведет к возрастанию фототока, но энергия каждого электрона возрастать не будет. Если же энергия фотона меньше минимальной энергии, необходимой для вырывания электрона, фотоэффект не будет наблюдаться при любом числе падающих на металл фотонов, т.е. при любой интенсивности освещения.

Квантовая теория света , развитая Эйнштейном , смогла объяснить не только свойства фотоэлектрического эффекта, но и закономерности химического действия света, температурную зависимость теплоемкости твердых тел и ряд других явлений. Она оказалась чрезвычайно полезной и в развитии представлений о строении атомов и молекул.

Из квантовой теории света следует, что фотон неспособен дробиться: он вза-модействует как целое с электроном металла, выбивая его из пластинки; как целое он взаимодействует и со светочувствительным веществом фотографической пленки, вызывая ее потемнение в определенной точке, и т. д. В этом смысле фотон ведет себя подобно частице, т.е. проявляет корпускулярные свойства. Однако фотон обладает и волновыми свойствами: это проявляется в волновом характере распространения света, в способности фотона к интерференции и дифракции. Фотон отличается от частицы в классическом понимании этого термина тем, что его точное положение в пространстве, как и точное положение любой волны, не может быть указано. Но он отличается и от «классической» волны - неспособностью делиться на части. Объединяя в себе корпускулярные и волновые свойства, фотон не является, строго говоря, ни частицей, ни волной - ему присуща корпускулярно-волновая двойственность.