Досліди Резерфорда по розсіюванню альфа-частинок

Ще в античні часи виникла ідея про те, що Всесвіт складається з маленьких неподільних частинок - атомів. Це уявлення про будову речовини збереглося до кінця XIX століття, коли до початку XX століття достовірно було встановлено, що до складу кожного атома входять електрони. Пріоритет у відкритті електрона належить англійському фізику Дж. Томсону. Разом з тим тоді ж було відомо, що атом електрично нейтральний. Отже, негативний заряд електронів повинен компенсуватися позитивним зарядом НЕ-відомих частинок, що входять в заряд атома.

Найбільш реальною представлялася ядерна або планетарна модель атома Е. Резерфорда, запропонована англійським фізиком в 1911р. Планетарна модель стала результатом виконаних Е. Резерфордом і його співробітниками експериментів з розсіювання # 945;-частинок. Досліди полягали в наступному. Пучок позитивно заряджених # 945; частинок направляється на тонкий, у вигляді фольги, золотий лист. За фольгою перебував екран, покритий сцинтилятором - речовиною, яке випромінює світло в тій точці, в яку билася # 945; -частинка. Виходячи з моделі Дж. Томсона, слід було очікувати, що # 945; частинки НЕ будуть відхилятися на великі кути, так як електрони набагато легше # 945;-частинок. І, дійсно, досліди показали, що більшість # 945;-частинок вільно проходили крізь лист фольги, як якщо б він був в основному порожній простір. І все ж частина # 945; частинок відхилялася на невеликі кути, що було, як можна було припустити, наслідком взаємодії з позитивним зарядом атома. Але несподіваним і приголомшливим виявилося те, що невелика кількість # 945;-частинок розсіюється на великі кути, що досягають 180 °. Таке могло відбуватися тільки в тому випадку, якщо позитивно заряджені # 945; частинки зазнали відштовхування масивного позитивного заряду, сконцентрованого в малій області простору.

За моделлю Е. Резерфорда атом складається з масивного, позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджено 99,94% маси атома. Величина позитивного заряду оцінюється твором ze, де z - порядковий атомний номер хімічного елемента в таблиці Д. Менделєєва; е - елементарний заряд. Навколо ядра всередині сфери з зовнішнім діаметром

10 -10 м по замкнутих еліптичних орбітах обертається z електронів, утворюючи електронну оболонку атома. Електрони не можуть спочивати в атомі, так як в цьому випадку вони впали б на ядро ​​під дією кулонівського тяжіння. За оцінками Е.Резерфорда, розміри ядра повинні бути порядку 10 -15 -10 -14 м. Порівнюючи розміри ядра і атома, приходимо до висновку про те, що електрони повинні знаходитися від ядра на відстані в (10-100) • 103 більше, ніж розмір ядра. І звідси другий висновок: основну частину атома становить порожній простір.

Недолік моделі Е. Резерфорда полягає в неможливості пояснити факт виняткової стійкості атома: по-перше, при зіткненнях з іншими атомами; по-друге, за законами класичної фізики обертання електронів навколо ядра не може бути стійким, так як воно має супроводжуватися електромагнітним випромінюванням, як будь-яке прискорений рух заряджених частинок. А за законами класичної фізики електрони, рухаючись по колу, мають доцентрові прискоренням. Доцентрова, сила, що утримує електрон на орбіті радіусом г, являє кулонівську силу тяжіння електрона до ядра:

де # 949; о = 8,85 • 10 -12 Ф / м - електрична постійна; mе - маса електрона, кг; v - швидкість електрона на орбіті, м / с. На створення електромагнітного поля витрачається енергія. Енергія електрона повинна поступово спадати, а разом з нею і швидкість обертання електрона навколо ядра. Електрон в кінці кінців повинен впасти на ядро. Однак атоми - досить стійкі освіти і можуть існувати мільярди років. По-третє, за моделлю Е. Резерфорда спектр випромінювання атома повинен бути суцільним. Досліди ж показали, що спектр випромінювання конкретного атома є дискретним.