Модели атомов

Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»). Атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами.

Преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части => атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда, а на его поверхности находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться.

АТОМ, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко "выбиваться", оставляя ионизованный атом.

Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд => атом электрически нейтрален.

Но эта модель вызывала ряд возражений.

Было трудно объяснить испускание атомами рентгеновского или гамма-излучения. Затруднения в модели атома Томсона вызвало отношение (e/m) заряда к массе для атомов, потерявших свои электроны.

Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

Опыты Резерфорда по рассеянию. В 1903 г. Ленард ставил опыты с прохождением пучка быстрых электронов сквозь тонкие металлические фольги. В модели атома Томсона почти все пространство заполнено веществом (положительно заряженной частью атома) => сквозь фольгу сможет проникать лишь очень мало электронов. А получилось наоборот, через фальгу проходят почти все электроны.

Решающий эксперимент, совершенно изменивший представления о пространственной структуре атома, был проведен Э.Резерфордом и его сотрудниками Гейгером и Марсденом.

Вместо электронов они использовали альфа-частицы. В качестве источника альфа-частиц был взят радий, а частицы, претерпевавшие рассеяние в тонкой металлической фольге, например золотой, регистрировались по "сцинтилляционным" вспышкам на экране из сульфида цинка, находящемся в затемненной комнате.

Было зарегистрировано очень много отклонений на углы, гораздо большие, чем предсказывала модель атома Томсона.

Большие отклонения можно было объяснить лишь тем, что положительная "сердцевина" атома значительно меньше размеров его электронной структуры => альфа-частицы могут очень близко подходить к этой малой положительной сердцевине, встречая при этом очень большие кулоновские силы.

Весь атом, кроме очень малой массивной сердцевины, или "ядра", почти полностью пуст.

Резерфорду удалось, упрощенно рассматривая ядро как точечный центр рассеяния, на основе только электростатики и механики Ньютона вывести формулу для углового распределения рассеянных частиц:

, где df - доли частиц, M – масса, e - заряд электрона, Z - атомный номер элемента заряд ядра, n - число атомов в 1 см³, t - толщина фольги, M и v - масса и скорость альфа-частицы.

Резерфордовская, или ядерная, модель атома, вытеснив томсоновскую модель, явилась важным этапом на пути создания квантовой механики.