Модель атома Резерфорда

«Наконец-то я представляю, как выглядит атом!» — воскликнул счастливый Резерфорд, когда после мучительных раздумий над результатами собственных измерений его осенила разгадка. Для того, чтобы понять модель атома, ученый проделал длинный путь.

С чего все начиналось?

Все началось, пожалуй, с изучения электрического тока в разреженных газах, которое весьма убедительно доказывает, что атомы не неделимы. После этого следовало открытие катодных лучей (Й. Плюккер, 1859 г.). Вскоре было установлено, что по физической природе катодные лучи являются ни чем иным как электрическими частицами с отрицательным зарядом. Эти частицы мы сегодня называем электронами.

При измерении массы электрона наряду с экспериментами по отклонению их в электрических и магнитных полях использовались и такие изумительные по простоте эксперименты, как измерение скачка тока в раскрученной относительно оси, а потом внезапно остановленной катушке. Точное значение заряда электрона ( — е=1,6022×10^(-19)Кл) измерил в 1909 г. Милликен, наблюдая под микроскопом поведение масляных капель, впрыснутых между обкладками конденсатора, под действием рентгеновского излучения (рентгеновское излучение выбивает из масляной капли один или несколько электронов, и на эту каплю начинает действовать электрическое поле конденсатора).

Этому событию предшествовало замечательное открытие рентгеновских лучей и радиоактивности.

«Кирпичики» химических элементов

Ионизирующее излучение стало результатом радиоактивного распада после того, как Резерфорд отождествил так называемые альфа-лучи с дважды ионизированными (лишенными электронов) атомами гелия. (Так называемое альфа-излучение представляет собой испускание электронов ядром; гамма-излучение имеет электромагнитную природу).

Это подтвердило мысли о том, что различные химические элементы состоят из одинаковых строительных кирпичиков. Окончательное подтверждение эта идея получила после открытия электронов. Нейтрон, второй после протона строительный кирпичик атомного ядра, был открыт Чедвиком лишь в 1932 г., однако о его существовании Резерфорд подозревал намного раньше.

До этого характерное для изотопов различие между атомными числами A для данного порядкового числа Z объясняли на основании предположения о том, что ядро состоит из A протонов и A-Z электронов.

Что же скрывает атом?

Как просто произносим мы сегодня слова «атомное ядро!» Как же удалось «вскрыть» атом, при его размерах 10^(-8)см? Для выяснения структуры атома Резерфорд пропускал альфа-лучи через тонкую алюминиевую фольгу и наблюдал их отклонение.

Неожиданный вывод, к которому он пришел, мы сами в состоянии сделать, исходя из результатов несколько видоизмененного и выполненного немного позднее эксперимента. В 1913 г. Гейгер и Марсден проводили опыты по наблюдению за альфа-частицами. Среди частиц, отклонявшихся на большие углы, было незначительное число и таких, которые после контакта с алюминиевой фольгой начинали двигаться в обратном направлении. При этом большинство альфа-частиц испытывали малые отклонения. Если бы атом имел в своем составе положительно заряженные частицы сравнимые с ним по размеру (ранее это и предполагалось), то тогда каждая альфа-частица каждый раз встречала бы на своем пути положительную частицу фольги. Но при этом отражение было бы частым или, наоборот, альфа-частицы всегда пронизывали бы фольгу, если предположить, что частицы с положительным зарядом, фактически проходят одна через другую. Действительная картина рассеяния показывает, что размеры положительных частиц в составе атома несоизмеримо малы, если сравнивать их с размерами атомного ядра (на основании более детальной оценки в сотни тысяч раз меньше) и крайне редко сталкиваются между собой.

Миниатюра Солнечной системы

Итак, атом похож на Солнечную систему в миниатюре. Центром такой системы является ядро с положительным зарядом и большой массой, роль планет играют вращающиеся вокруг него электроны.

Модель атома Резерфорда занимает место между классической и современной концепциями мироустройства. Картина, которую она дает, является классической и не охватывает всего поведения атомов, но то, что она говорит о соотношении целого и части, справедливо и сегодня.

Астрономы XVIII столетия не без причины опасались того, что солнечные системы могут столкнуться. Результат такого столкновения вряд ли бы оставил состояния таких систем без изменения! При комнатной температуре любой наперед выбранный атом за секунду 10^11 раз сталкивается с другими атомами. При беспорядочном обмене энергией часть электронов через некоторое время оторвалась бы от собственных ядер, говоря современным языком, газ превратился бы в плазму и, таким образом, проводил бы электрический ток.

Атом — как бильярдный шар?

Эксперимент не подтверждает эти выводы. Наиболее простые эксперименты, касающиеся газов (такие, как изучение давления, диффузии, теплопроводности при обычных температурах), показывают, что атомы ведут себя как упругие бильярдные шары определенных размеров.

Эти миниатюрные бильярдные шары не сжимаются при охлаждении газа, хотя на основании классической картины (изменяющееся электрическое поле вращающегося заряда излучает электромагнитные волны) с ними должно было бы происходить именно это. Сжимание должно было бы сопровождаться непрерывным свечением до тех пор, пока электроны не слились бы с протонами. Но опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц указали на то, что атомы в значительной части своего объема «пусты».

Из того, что для альфа-частиц атом в значительной степени проницаем, ясно, что аналогия с бильярдными шарами справедлива лишь до определенного предела. Этого предела можно достигнуть довольно простым путем. При достаточно высокой температуре газы в действительности начинают светиться, что указывает на усиление какого-то внутреннего движения атомов. При еще большей температуре атомы ионизируются и газ становится проводящим. Но если газ охладить до комнатной температуры, то «бильярдные шары» восстанавливаются сами собой. Таким образом, мы сталкиваемся с проблемой взаимодействия стабильности и изменчивости. Модель атома Резерфорда не в состоянии сказать что-либо об этом.

Через два года после того, как была сформулирована эта концепция строения атома, Франк и Герц показали экспериментально, что энергия отдельного покоящегося атома может принимать не любые, а лишь определенные дискретные значения.

Иллюстрация опыта Франка-Герца

Электроны, испускаемые катодом K под воздействием ускоряющего напряжения U_(K ) приобретают энергию E=(1/2)mv^2=eU_(K )при достижении в газонаполненной трубке сетки, после чего, преодолев слабое противоположное по знаку поле, они достигают анода A. При увеличении напряжения U_(K ) анодный ток I увеличивается до определенного критического значения, а потом внезапно спадает.

Объяснение: электрон во время своего движения сталкивается с атомами газа. Пока энергия движения электрона не достигнет значения eU_(1 ), он без потери энергии упруго отражается от имеющих большую массу атомов. Когда же энергия электрона достигнет критического значения, он с большой вероятностью передаст энергию атому газа, при этом eU_(1 )станет равной разнице энергий основного и возбужденного состояний. Вследствие этого электрон не сможет преодолеть противоположное по знаку поле U_(A ). При дальнейшем увеличении U_(K ) электрон в состоянии несколько раз подряд набрать необходимую для возбуждения энергию при движении между катодом и сеткой.

Опыт Резерфорда — видео

Написать комментарий:

Ваш email не будет опубликован.