Хтось винайшов планетарну модель атома. Планетарна модель атома: досвід Резерфорду

Стали важливим кроком у розвитку фізики. Величезне значення мала модель Резерфорда. Атом як система та частинки, його складові, був вивчений більш точно та докладно. Це призвело до успішного становлення науки, як ядерна фізика.

Античні уявлення про будову речовини

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

Середньовічні уявлення

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

Дослідження 18-19 століть

18 століття відзначалося серйозними відкриттями у сфері елементарного будови речовини. Багато в чому завдяки старанням таких вчених, як Антуан Лавуазьє, Михайло Ломоносов та Незалежно один від одного, вони зуміли довести, що атоми дійсно існують. Але питання про їхню внутрішню будову залишалося відкритим. Кінець 18 століття був відзначений такою визначною подією в науковому світі, як відкриття Д. І. Менделєєвим періодичної системи хімічних елементів. Це стало по-справжньому потужним проривом того часу і відкрило завісу над розумінням того, що всі атоми мають єдину природу, що вони споріднені один з одним. Надалі, в 19 столітті, ще одним важливим кроком на шляху до розгадки будови атома став доказ того, що у складі кожного з них є електрон. Робота вчених цього періоду підготувала благодатний ґрунт для відкриттів 20-го століття.

Експерименти Томсона

Англійський фізик Джон Томсон 1897 року довів, що до складу атомів входять електрони з негативним зарядом. На цьому етапі помилкові уявлення про те, що атом - межа ділимості будь-якої речовини, були остаточно зруйновані. Як же Томсон зумів довести існування електронів? Вчений у своїх дослідах поміщав у сильно розріджені гази електроди та пропускав електричний струм. В результаті виникали катодні промені. Томсон ретельно вивчив їх особливості та виявив, що вони є потоком заряджених частинок, що рухаються з величезною швидкістю. Вчений зумів вирахувати масу цих частинок та їх заряд. Він також з'ясував, що їх не можна перетворити на нейтральні частки, оскільки електричний заряд – це основа їхньої природи. Так Томсон був і творцем першої у світі моделі будови атома. Відповідно до неї, атом - це потік позитивно зарядженої матерії, у якій рівномірно розподілені негативно заряджені електрони. Така будова пояснює загальну нейтральність атомів, оскільки 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 не зумів знайти в атомі позитивно заряджених частинок. виправив це непорозуміння у 1911 році. Під час експериментів, вивчаючи активність альфа-часток у газах, він виявив, що в атомі присутні частки, що позитивно заряджені. Резерфорд побачив, що при проходженні променів крізь газ або тонку металеву пластину відбувається різке відхилення незначної кількості частинок від траєкторії руху. Їх буквально відкидало назад. Вчений здогадався, що така поведінка пояснюється зіткненням із позитивно зарядженими частинками. Такі експерименти дозволили фізику створити модель побудови атома Резерфорда.

Планетарна модель

Тепер уявлення вченого дещо відрізнялися від припущень, висловлених Джоном Томсоном. Різними стали та його моделі атомів. дозволив йому створити зовсім нову теорію у цій галузі. Відкриття вченого мали вирішальне значення подальшого розвитку фізики. Модель Резерфорда описує атом як ядро, розташоване в центрі, і електрони, що рухаються навколо нього. Ядро має позитивний заряд, а електрони - негативний. Модель атома за Резерфордом передбачала обертання електронів навколо ядра за певними траєкторіями - орбітами. Відкриття вченого допомогло пояснити причину відхилення альфа-часток і стало поштовхом до ядерної теорії атома. У моделі атома Резерфорда простежується аналогія із рухом планет Сонячної системи навколо Сонця. Це дуже точне та яскраве порівняння. Тому модель Резерфорда, атом у якій рухається навколо ядра орбітою, було названо планетарною.

Роботи Нільса Бора

Двома роками пізніше датський фізик Нільс Бор спробував поєднати уявлення про будову атома з квантовими властивостями світлового потоку. Ядерна модель атома Резерфорда була покладена вченим основою його нової теорії. За припущенням Бора, атоми обертаються навколо ядра круговими орбітами. Така траєкторія руху призводить до прискорення електронів. Крім того, кулонівська взаємодія цих частинок з центром атома супроводжується створенням та витрачанням енергії для підтримки просторового електромагнітного поля, що виникає через рух електронів. За таких умов негативно заряджені частинки повинні колись впасти на ядро. Але цього немає, що свідчить про велику стійкість атомів як систем. Нільс Бор зрозумів, що закони класичної термодинаміки, описані рівняннями Максвелла, не працюють у внутрішньоатомних умовах. Тому вчений поставив собі завдання вивести нові закономірності, які були б справедливі у світі елементарних частинок.

Постулати Бора

Багато в чому завдяки тому, що існувала модель Резерфорда, атом та його складові були непогано вивчені Нільс Бор зміг підійти до створення своїх постулатів. Перший говорить про те, що атом має при яких він не змінює свою енергію, а електрони при цьому рухаються по орбітах, не змінюючи своєї траєкторії. Згідно з другим постулатом, при переході електрона з однієї орбіти на іншу відбувається виділення чи поглинання енергії. Вона дорівнює різниці енергій попереднього та наступного станів атома. При цьому, якщо електрон перестрибує на ближчу до ядра орбіту, відбувається випромінювання і навпаки. Незважаючи на те, що рух електронів мало нагадує орбітальну траєкторію, розташовану строго по колу, відкриття Бору дозволило отримати чудове пояснення існуванню лінійного спектру. станів атома та можливість зміни значень атомної енергії.

Співпраця двох вчених

До речі, Резерфорд тривалий час було визначити Учені Марсден і Гейгер спробували здійснити повторну перевірку тверджень Ернеста Резерфорда й у результаті докладних і ретельних експериментів і розрахунків дійшли висновку у тому, що саме ядро ​​є найважливішою характеристикою атома, й у ньому зосереджений весь його заряд. Надалі 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 погодився з його поглядами. Надалі вчені довго працювали разом у одній лабораторії. Модель Резерфорда, атом як система, що складається з елементарних заряджених частинок, - все це Нільс Бор визнав справедливим і назавжди відклав убік свою електронну модель. Спільна наукова діяльність вчених була дуже успішною та принесла свої плоди. Кожен їх заглибився вивчення властивостей елементарних частинок і зробив значні для науки відкриття. Пізніше Резерфорд виявив та довів можливість розкладання ядра, але це вже тема іншої статті.

Уявлення про те, що атоми є найдрібнішими частинками речовини, вперше виникло за часів Стародавньої Греції. Однак лише наприкінці XVIII століття завдяки роботі таких вчених, як А. Лавуазьє, М. В. Ломоносов та деяких інших, було доведено, що атоми справді існують. Однак у ті часи ніхто не ставив питання про те, якою є їхня внутрішня будова. Вчені все ще розцінювали атоми як неподільні "цеглини", з яких складається вся матерія.

Спроби пояснити будову атома

Хто запропонував ядерну модель першим із усіх учених? Перша спроба створити модель цих частинок належала Дж. Томсон. Проте вдалою у сенсі цього терміну назвати її не можна. Адже Томсон вважав, що атом є кулястою і електрично нейтральною системою. При цьому вчений припускав, що позитивний заряд розподілений рівномірно за обсягом цієї кулі, а всередині знаходиться негативно заряджене ядро. Усі спроби вченого пояснити внутрішню будову атома виявилися невдалими. Ернест Резерфорд – той, хто запропонував ядерну модель будови атома через кілька років після того, як Томсон висунув свою теорію.

Історія досліджень

За допомогою дослідження електролізу в 1833 Фарадею вдалося встановити, що струм в розчині електролітів являє собою потік заряджених частинок, або іонів. З цих досліджень він зміг визначити мінімальний заряд іона. Також важливу роль розвитку даного напрями у фізиці зіграв вітчизняний хімік Д. І. Менделєєв. Саме він уперше поставив у наукових колах питання, що всі атоми можуть мати однакову природу. Ми бачимо, що до того, як вперше було запропоновано ядерну модель будови атома Резерфорда, різними вченими було проведено велику кількість не менш важливих експериментів. Вони просунули атомістичну теорію будови речовини вперед.

Перші досліди

Резерфорд є справді геніальним ученим, адже його відкриття перевернули уявлення про будову речовини. У 1911 році він зміг поставити експеримент, за допомогою якого дослідники змогли зазирнути в загадкові глибини атома, отримати уявлення про те, якою є його внутрішня будова. Перші досліди були проведені вченим за підтримки інших дослідників, проте головна роль у відкритті належала Резерфорду.

Експеримент

Використовуючи природні джерела радіоактивного випромінювання, Резерфорд зміг побудувати гармату, яка випускала потік альфа-частинок. Це був ящик, зроблений зі свинцю, всередині якого знаходилася радіоактивна речовина. У гарматі був проріз, завдяки якому всі альфа-частинки потрапляли на свинцевий екран. Вилітати вони могли лише через проріз. По дорозі цього пучка з радіоактивних частинок стояло ще кілька екранів.

Вони відокремлювали частинки, які відхилялися від заданого напряму. В якості мішені Резерфорд використовував тонкий лист із золотої фольги. Після того, як частинки потрапляли на цей лист, вони продовжували свій рух і зрештою потрапляли на люмінесцентний екран, який був встановлений позаду цієї мішені. При попаданні альфа-частинок на цей екран реєструвалися спалахи, якими вчений міг судити, скільки частинок відхиляються від початкового напрямку при зіткненні з фольгою і яка величина цього відхилення.

Відмінності від попередніх дослідів

Школярі та студенти, які цікавляться тим, хто запропонував ядерну модель будови атома, повинні знати: подібні експерименти проводились у фізиці і до Резерфорда. Їхня головна ідея полягала в тому, щоб за відхиленнями частинок від початкової траєкторії зібрати якомога більше інформації про будову атома. Всі ці дослідження призвели до накопичення певного обсягу інформації в науці, провокували на роздуми про внутрішню будову найдрібніших частинок.

Вже на початку XX століття вченим було відомо, що в атомі містяться електрони, які мають негативний заряд. Але серед більшості дослідників переважала думка, що атом зсередини більше нагадує сітку, заповнену негативно зарядженими частинками. Подібні досліди дозволили отримати чимало інформації – наприклад, визначити геометричні розміри атомів.

Геніальний здогад

Резерфорд звернув увагу, що ніхто з його попередників жодного разу не намагався визначити, чи можуть альфа-частинки відхилятися під великими кутами від своєї траєкторії. Колишня модель, іноді звана серед вчених «пудинг з родзинками» (оскільки згідно з цією моделлю електрони в атомі розподілені подібно до родзинок у пудингу), просто не допускала існування всередині атома щільних компонентів структури. Ніхто з учених і не переймався тим, щоб розглянути і такий варіант. Дослідник попросив свого студента переобладнати установку таким чином, щоб фіксувалися й великі відхилення частинок від траєкторії лише для того, щоб виключити таку можливість. Яким же було здивування і вченого, і його студента, коли виявилося, що деякі частки розлітаються під кутом 180 о.

Що всередині атома?

Ми дізналися, хто запропонував ядерну модель будови атома і в чому полягав досвід цього вченого. На той момент експеримент Резерфорда був справжнім проривом. Він був змушений дійти невтішного висновку, що всередині атома більшість маси укладено дуже щільному речовині. Схема ядерної моделі будови атома дуже проста: всередині знаходиться позитивно заряджене ядро.

Інші частки, які називаються електронами, обертаються навколо цього ядра. Решта ж частина є на кілька порядків менш щільною. Розташування електронів усередині атома перестав бути хаотичним - частки розташовуються порядку зростання енергії. Внутрішні частини атомів дослідник назвав ядрами. Назви, які запровадив вчений, використовуються в науці досі.

Як підготуватись до уроку?

Ті школярі, які цікавляться тим, хто припустив ядерну модель будови атома, можуть виявитися на уроці додатковими знаннями. Наприклад, можна розповісти про те, як Резерфорд, вже після довгого часу після своїх експериментів, любив наводити для свого відкриття аналогію. У південноафриканську країну доставляється контрабанда зі зброєю для повстанців, яка міститься в тюках бавовни. Як митникам визначити, де конкретно знаходяться небезпечні запаси, якщо весь поїзд забитий цими пакунами? Митник може почати стріляти по пакунках, і там, де кулі рикошетуватимуть, і знаходиться зброя. Резерфорд наголошував, що саме так і було зроблено його відкриття.

Школярам, ​​які готуються до відповіді з цієї теми під час уроку, бажано підготувати відповіді такі вопросы:

1. Хто запропонував ядерну модель будови атома?

2. У чому полягав сенс експерименту?

3. Відмінність ядерної моделі з інших моделей.

Значення теорії Резерфорда

Ті радикальні висновки, які Резерфорд зробив зі своїх експериментів, змушували багатьох його сучасників сумніватися у істинності цієї моделі. Навіть сам Резерфорд не був винятком – він опублікував результати своїх досліджень лише за два роки після відкриття. Взявши за основу класичні уявлення про те, як рухаються мікрочастинки, він запропонував ядерну планетарну модель будови атома. В цілому атом має нейтральний заряд. Навколо ядра рухаються електрони - подібно до того, як навколо Сонця обертаються планети. Цей рух відбувається за рахунок кулонівських сил. На даний момент модель Резерфорда зазнала значного доопрацювання, проте відкриття вченого не втрачає своєї актуальності і сьогодні.

Історичні моделі1 атома відображають рівні знань, що відповідають певному періоду розвитку науки.

Перший етап розвитку моделей атома характеризувався відсутністю експериментальних даних про його будову.

Пояснюючи явища мікросвіту, вчені шукали аналогії в макросвіті, спираючись на закони класичної механіки.

Дж. Дальтон – творець хімічної атомістики (1803 р.), припускав, що атоми однієї й тієї ж хімічного елемента є однакові кулясті дрібні, отже, неподільні частки.

Французький фізик Жан Батіст Перрен (1901 р.) запропонував модель, що фактично передбачила "планетарну" модель. Згідно з цією моделлю в центрі атома розташоване позитивно заряджене ядро, навколо якого рухаються по певних орбітах, як планети навколо Сонця, негативно заряджені електрони. Модель Перрена не привернула уваги вчених, оскільки давала лише якісну, але з кількісну характеристику атома (на рис. 7 це показано невідповідністю заряду ядра атома числу електронів).

У 1902 р. англійський фізик Вільям Томсон (Кельвін) розробив уявлення про атом як про позитивно заряджену сферичну частинку, всередині якої здійснюють коливання (випромінюючи і поглинаючи енергію) негативно заряджені електрони. Кельвін звернув увагу, що число електронів дорівнює позитивному заряду сфери, тому загалом атом немає електричного заряду (рис. 7).

Через рік німецький фізик Філіп Ленард запропонував модель, згідно з якою атом – порожня сфера, всередині якої знаходяться електричні диполі (динаміди). Обсяг, займаний цими диполями, значно менший за обсяг сфери, і основна частина атома виявляється незаповненою.

За уявленнями японського фізика Гонтаро (Хантаро) Нагаокі (1904 р.), у центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, а електрони рухаються у просторі навколо ядра в плоских кільцях, що нагадують кільця планети Сатурн (ця модель називалася "сатурніанським" атомом). Більшість вчених не звернули уваги на ідеї Нагаокі, хоча вони певною мірою перегукуються з сучасним уявленням про атомну орбіталь.

Жодна з розглянутих моделей (рис. 7) не пояснювала, як властивості хімічних елементів пов'язані з будовою їх атомів.

Мал. 7. Деякі історичні моделі атома

У 1907 р. Дж. Дж. Томсон запропонував статичну модель будови атома, що представляла атом як заряджену позитивною електрикою кулясту частинку, в якій рівномірно розподілені негативно заряджені електрони ( Модель"пудингу", Мал. 7).

Математичні розрахунки показали, що електрони в атомі повинні бути розташовані на концентрично розташованих кільцях. Томсон зробив дуже важливий висновок: причина періодичної зміни властивостей хімічних елементів пов'язана з особливостями електронної будови атомів. Завдяки цьому модель атома Томсона була високо оцінена сучасниками. Однак вона не пояснювала деяких явищ, наприклад, розсіювання α-часток при проходженні через металеву пластину.

На підставі своїх уявлень про атом Томсон вивів формулу для розрахунку середнього відхилення α-частинок, і цей розрахунок показав, що ймовірність розсіювання таких частинок під великими кутами близька до нуля. Однак експериментально було доведено, що приблизно одна з восьми тисяч падаючих на золоту фольгу -частинок відхиляється на кут більше 90°. Це суперечило моделі Томсона, яка передбачала відхилення лише малі кути.

Ернест Резерфорд, узагальнюючи експериментальні дані, в 1911 р. запропонував "планетарну" (її іноді називають "ядерною") модель будови атома, згідно з якою 99,9 % маси атома та його позитивний заряд зосереджені в дуже маленькому ядрі, а негативно заряджені електрони, число яких дорівнює заряду ядра, обертаються навколо нього, подібно до планет Сонячної системи1 (рис. 7).

Резерфорд разом із учнями поставив досліди, дозволили дослідити будову атома (рис. 8). На поверхню тонкої металевої (золотої) фольги 2 джерела радіоактивного випромінювання 1 направлявся потік позитивно заряджених частинок (α-частки). На їх шляху був встановлений флуоресцентний екран 3, що дозволяє спостерігати за напрямом подальшого руху частинок.

Мал. 8. Досвід Резерфорда

Було встановлено, що більшість α-часток проходила крізь фольгу, практично не змінюючи свого напряму. Лише окремі частки (в середньому одна з десяти тисяч) відхилялися і летіли майже у зворотному напрямку. Зроблено висновок, що більша частина маси атома зосереджена в позитивно зарядженому ядрі, тому α-частинки так сильно відхиляються (рис. 9).

Мал. 9. Розсіювання α-часток атомним ядром

Електрони, що рухаються в атомі, відповідно до законів електромагнетизму повинні випромінювати енергію і, втрачаючи її, притягуватися до протилежно зарядженого ядра і, отже, "падати" на нього. Це повинно призводити до зникнення атома, але оскільки цього не відбувалося, було зроблено висновок про неадекватність цієї моделі.

На початку XX століття німецькими фізиком Максом Планком та фізиком-теоретиком Альбертом Ейнштейном була створена квантова теорія світла. Відповідно до цієї теорії промениста енергія, наприклад світло, випромінюється і поглинається не безперервно, а окремими порціями (квантами). Причому величина кванта енергії неоднакова щодо різних випромінювань і пропорційна частоті коливань електромагнітної хвилі: Е = hν, деh – постійна Планка, що дорівнює 6,6266·10 –34 Дж·с, ν – частота випромінювання. Цю енергію несуть частки світла. фотони.

Намагаючись штучно поєднати закони класичної механіки та квантової теорії, датський фізик Нільс Бор у 1913 р. доповнив модель атома Резерфорда двома постулатами про стрибкоподібну (дискретну) зміну енергії електронів в атомі. Бор вважав, що електрон в атомі водню може бути лише на цілком певних стаціонарних орбітах, радіуси яких відносяться один до одного як квадрати натуральних чисел (1 2: 2 2: 3 2: ... : п 2). Електрони рухаються навколо атомного ядра стаціонарними орбітами. Атом перебуває у стійкому стані, не поглинаючи та не випромінюючи енергію, – це перший постулат Бора. Згідно з другим постулатом випромінювання енергії відбувається тільки при переході електрона на ближчу до атомного ядра орбіту. При переході електрона більш віддалену орбіту енергія атомом поглинається. Ця модель була вдосконалена в 1916 р. німецьким фізиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, який вказав на рух електронів еліптичним орбітам.

Планетарна модель, завдяки своїй наочності та постулатам Бора, тривалий час використовувалася для пояснення атомно-молекулярних явищ. Однак виявилося, що рух електрона в атомі, стійкість та властивості атома, на відміну від руху планет та стійкості Сонячної системи, не можна описати законами класичної механіки. В основі цієї механіки лежать закони Ньютона, і предметом її вивчення є рух макроскопічних тіл, що відбувається зі швидкостями, малими в порівнянні зі швидкістю світла. Для опису будови атома необхідно застосовувати уявлення квантової (хвильової) механіки про двоїсту корпускулярно-хвильову природу мікрочастинок, які сформулювали в 1920-і роки фізики-теоретики: француз Луї де Бройль, німці Вернер Гейзенберг та Ервін Шредінгер, англієць.

У 1924 році Луї де Бройль висунув гіпотезу про наявність у електрона хвильових властивостей (перший принцип квантової механіки) та запропонував формулу для обчислення його довжини хвилі. Стабільність атома пояснюється лише тим, що електрони у ньому рухаються за орбітами, а деяких областях простору навколо ядра, званих атомними орбіталями. Електрон займає практично весь об'єм атома і не може "впасти на ядро", що знаходиться в його центрі.

У 1926 році Шредінгер, продовжуючи розвиток ідей Л. де Бройля про хвильові властивості електрона, емпірично підібрав математичне рівняння, схоже на рівняння коливання струни, за допомогою якого можна обчислювати енергії зв'язку електрона в атомі на різних енергетичних рівнях. Це рівняння стало основним рівнянням квантової механіки.

Відкриття хвильових властивостей електрона показало, що поширення знань про макросвіт на об'єкти мікросвіту є неправомірним. У 1927 р. Гейзенберг встановив, що неможливо визначити точне становище у просторі електрона, має певну швидкість, тому ставлення до руху електрона атомі носять імовірнісний характер (другий принцип квантової механіки).

Квантово-механічна модель атома (1926) описує стан атома за допомогою математичних функцій і не має геометричного вираження (рис. 10). У такій моделі не розглядаються динамічний характер пристрою атома та питання про розмір електрона як частинки. Вважається, що електрони займають певні енергетичні рівні та випромінюють чи поглинають енергію при переходах на інші рівні. На рис. 10 енергетичні рівні схематично зображені у вигляді концентричних кілець, розташованих на різних відстанях від атомного ядра. Стрілки показують переходи електронів між енергетичними рівнями і випромінювання фотонів, що супроводжують ці переходи. Схема показана якісно і не відображає реальних відстаней між енергетичними рівнями, які можуть відрізнятись між собою в десятки разів.

У 1931 році американським вченим Гілбертом Уайтом вперше було запропоновано графічне представлення атомних орбіталей та "орбітальна" модель атома (рис. 10). Моделі атомних орбіталей використовуються для відображення поняття "електронна щільність" та демонстрації розподілу негативного заряду навколо ядра в атомі або системи атомних ядер у молекулі.

Мал. 10. Історичні та сучасні моделі атома

У 1963 році американський художник, скульптор та інженер Кеннет Снельсон запропонував "кільцегранну модель" електронних оболонок атома (рис. 10), яка пояснює кількісний розподіл електронів в атомі за стійкими електронними оболонками. Кожен електрон моделюється кільцевим магнітом (або замкнутим контуром з електричним струмом, що має магнітний момент). Кільцеві магніти притягуються один до одного і утворюють симетричні фігури з кілець кільцегранники. Наявність у магнітів двох полюсів накладає обмеження на можливі варіанти збирання кільцегранників. Моделі стійких електронних оболонок - це найбільш симетричні фігури з кілець, складені з урахуванням наявності у них магнітних властивостей.

Наявність у електрона спина (див. Розділ 5) є однією з основних причин утворення в атомі стійких електронних оболонок. Електрони утворюють пари із протилежними спинами. Кільцегранна модель електронної пари, або заповненої атомної орбіталі, – це два кільця, які розташовані в паралельних площинах з протилежних сторін від атомного ядра. При розташуванні біля ядра атома більше однієї пари електронів кільця-електрони вимушено орієнтуються взаємно, утворюючи електронну оболонку. При цьому близько розташовані кільця мають різні напрямки магнітних силових ліній, що позначається різним кольором кілець, що зображають електрони.

Модельний експеримент показує, що найстійкішою зі всіх можливих кільцегранних моделей є модель з 8 кілець. Геометрично модель утворена таким чином, як атом у вигляді сфери поділили на 8 частин (тричі розділивши навпіл) і в кожну частину помістили по одному кільцю-електрону. У кільцегранних моделях використовують кільця двох кольорів: червоного та синього, які відображають позитивне та негативне значення спина електрона.

"Волногранная модель" (рис. 10) схожа на "кільцегранну" з тією відмінністю, що кожен електрон атома представлений "хвильовим" кільцем, яке містить ціле число хвиль (як це було запропоновано Л. де Бройлем).

Взаємодія електронів електронної оболонки на цій моделі атома показано збігом точок контакту синіх та червоних "хвильових" кілець з вузлами стоячих хвиль.

Моделі атома мають право на існування та межі застосування. Будь-яка модель атома - це наближення, що відображає у спрощеній формі певну частину знань про атом. Але жодна з моделей не повністю відображає властивостей атома або його складових частинок.

Багато моделей сьогодні представляють лише історичний інтерес. При побудові моделей об'єктів мікросвіту вчені спиралися те що, що можна безпосередньо спостерігати. Так з'явилися моделі Перрена і Резерфорда (аналогія з будовою Сонячної системи), Нагаокі (така собі планета Сатурн), Томсона ("пудинг з родзинками"). Деякі ідеї були відкинуті (динамічна модель Ленарда), до інших через деякий час знову зверталися, але вже на новому, вищому теоретичному рівні: моделі Перрена та Кельвіна отримали розвиток у моделях Резерфорда та Томсона. Уявлення про будову атома постійно вдосконалюються. Наскільки точна сучасна - "квантово-механічна" модель покаже час. Саме тому у верхній частині спіралі, що символізує шлях пізнання, намальовано знак питання (рис. 7).

Одна з перших моделей будови атома була запропонована Дж. Томсономв 1904 р. Атом представлявся як «море позитивної електрики» з електронами, що коливаються в ньому. Сумарний негативний заряд електронів електронейтрального атома дорівнює його сумарному позитивному заряду.

Досвід Резерфорда

Для перевірки гіпотези Томсона та більш точного визначення будови атома Е. Резерфордорганізував серію дослідів із розсіювання α -Частинок тонкими металевими пластинками - фольгою. У 1910 р. студенти Резерфорда Ганс Гейгері Ернест Марсденпроводили експерименти з бомбардування α -частинками тонких металевих пластинок. Вони виявили, що більшість α -Частинок проходять через фольгу, не змінюючи своєї траєкторії. І це не дивно, якщо прийняти правильність моделі атома Томсона.

Джерело α -випромінювання поміщали в свинцевий кубик із просвердленим у ньому каналом, отже вдавалося отримати потік α -Частинок, що летять у певному напрямку. Альфа-частинки є дворазово іонізованими атомами гелію ( Чи не 2+). Вони мають позитивний заряд +2 і масу, що майже в 7350 разів перевищує масу електрона. Потрапляючи на екран, покритий сульфідом цинку, α -частки викликали його свічення, причому в лупу можна було побачити і підрахувати окремі спалахи, що виникають на екрані при попаданні на нього кожної α -частки. Між джерелом випромінювання та екраном поміщали фольгу. За спалахами на екрані можна було судити про розсіювання α -Частинок, тобто. про їхнє відхилення від початкового напрямку при проходженні через шар металу.

Виявилося, що більшість α -Частинок проходить через фольгу, не змінюючи свого напрямку, хоча товщина фольги відповідала сотням тисяч атомних діаметрів. Але певна частка α -Частинок все ж відхилялася на невеликі кути, а зрідка α -частки різко змінювали напрямок свого руху і навіть (приблизно 1 з 100000) відкидалися назад, як би наштовхнувшись на масивну перешкоду. Випадки такого різкого відхилення α -Частинок можна було спостерігати, переміщуючи екран з лупою по дузі.

З результатів цього експерименту можна було зробити такі висновки:

1. В атомі є певна «перешкода», яка була названа ядром.
2. Ядро має позитивний заряд (інакше позитивно заряджені α -частки не відбивалися б назад).
3. Ядро має дуже малі розміри в порівнянні з розмірами самого атома (лише незначна частина α -Частинок змінювала напрямок руху).
4. Ядро має велику масу, порівняно з масою α -Частинок.

Результати досвіду Резерфорд пояснив, запропонувавши "планетарну" модель атома, що уподібнювало його сонячній системі. Згідно з планетарною моделлю в центрі атома знаходиться дуже маленьке ядро, розміри якого приблизно в 100000 разів менше розмірів самого атома. Це ядро ​​містить майже всю масу атома і несе позитивний заряд. Навколо ядра рухаються електрони, кількість яких визначається зарядом ядра. Зовнішня траєкторія руху електронів визначає зовнішні розміри атома. Діаметр атома - величина порядку 10 -8 см, а діаметр ядра - близько 10 -13 ÷ 10 -12 см.

Чим більший заряд атомного ядра, тим сильніше відштовхуватиметься від нього α -частка, тим частіше зустрічатимуться випадки сильних відхилень α -Частинок, що проходять через шар металу, від початкового напрямку руху. Тому досліди з розсіювання α -Частинок дають можливість не тільки виявити існування атомного ядра, але і визначити його заряд. Вже з дослідів Резерфорда випливало, що заряд ядра (виражений в одиницях заряду електрона) чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Це було підтверджено Г. Мозлі, що встановив у 1913 р. простий зв'язок між довжинами хвиль певних ліній рентгенівського спектру елемента та його порядковим номером; Д. Чедвіком, що з великою точністю визначив у 1920 р. заряди атомних ядер ряду елементів з розсіювання α -Частинок.

Було встановлено фізичний зміст порядкового номера елемента у періодичної системі: порядковий номер виявився найважливішою константою елемента, котра виражає позитивний заряд ядра його атома. З електронейтральності атома випливає, як і число електронів, що обертаються навколо ядра, дорівнює порядковому номеру елемента.

Це відкриття дало нове обґрунтування розташування елементів у періодичній системі. Разом з тим воно усувало і здавалося протиріччя в системі Менделєєва - положення деяких елементів з більшою атомною масою попереду елементів з меншою атомною масою (телур і йод, аргон і калій, кобальт і нікель). Виявилося, що суперечності тут немає, оскільки місце елемента у системі визначається зарядом атомного ядра. Було експериментально встановлено, що заряд ядра атома телуру дорівнює 52 а атома йоду - 53; тому телур, незважаючи на велику атомну масу, має стояти до йоду. Так само заряди ядер аргону і калію, нікелю і кобальту повністю відповідають послідовності розташування цих елементів у системі.

Отже, заряд атомного ядра є основною величиною, від якої залежить властивості елемента та її становище у періодичної системі. Тому періодичний закон Менделєєва в даний час можна сформулювати таким чином:

Властивості елементів і простих і складних речовин, що утворюються ними, знаходяться в періодичній залежності від заряду ядра атомів елементів.

Визначення порядкових номерів елементів зарядами ядер їх атомів дозволило встановити загальну кількість місць у періодичній системі між воднем, що має порядковий номер 1, і ураном (порядковий номер 92), який на той час вважався останнім членом періодичної системи елементів. Коли створювалася теорія будови атома, залишалися незайнятими місця 43, 61, 72, 75, 85 і 87, що вказувало можливість існування ще відкритих елементів. І справді, 1922 р. було відкрито елемент гафній, який посів місце 72; потім у 1925 р. - реній, що зайняв місце 75. Елементи, які мають зайняти решту чотирьох вільних місць таблиці, виявилися радіоактивними і в природі не знайдені, проте їх вдалося отримати штучним шляхом. Нові елементи отримали назви технецій (порядковий номер 43), прометій (61), астат (85) та францій (87). В даний час всі клітини періодичної системи між воднем та ураном заповнені. Проте сама періодична система є завершеною.

Атомні спектри

Планетарна модель була великим кроком у теорії будови атома. Однак у деяких відносинах вона суперечила твердо встановленим фактам. Розглянемо дві такі суперечності.

По-перше, теорія Резерфорда було пояснити стійкості атома. Електрон, що обертається навколо позитивно зарядженого ядра, повинен, подібно до електричного заряду, що коливається, випускати електромагнітну енергію у вигляді світлових хвиль. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, що призводить до порушення рівноваги між відцентровою силою, пов'язаною з обертанням електрона, та силою електростатичного тяжіння електрона до ядра. Для відновлення рівноваги електрон повинен переміститися ближче до ядра. Таким чином, електрон, безперервно випромінюючи електромагнітну енергію і рухаючись по спіралі, наближатиметься до ядра. Вичерпавши всю свою енергію, він має «впасти» на ядро, і атом припинить своє існування. Цей висновок суперечить реальним властивостям атомів, які є стійкими утвореннями, і можуть існувати, не руйнуючись, надзвичайно довго.

По-друге, модель Резерфорда призводила до неправильних висновків характеру атомних спектрів. При пропущенні через скляну або кварцову призму світла, що випускається розпеченим твердим або рідким тілом, на екрані, поставленому за призмою, спостерігається так званий суцільний спектр, видима частина якого являє собою кольорову смугу, яка містить всі кольори веселки. Це пояснюється тим, що випромінювання розпеченого твердого або рідкого тіла складається з електромагнітних хвиль різних частот. Хвилі різної частоти неоднаково переломлюються призмою і потрапляють різні місця екрана. Сукупність частот електромагнітного випромінювання, що випромінюється речовиною, і називається спектром випромінювання. З іншого боку, речовини поглинають випромінювання певних частот. Сукупність останніх називається спектром поглинання речовини.

Для отримання спектру замість призми можна скористатися дифракційними ґратами. Остання є скляною пластинкою, на поверхні якої на дуже близькій відстані один від одного нанесені тонкі паралельні штрихи (до 1500 штрихів на 1 мм). Проходячи крізь такі ґрати, світло розкладається та утворює спектр, аналогічний отриманому за допомогою призми. Дифракція властива будь-якому хвильовому руху і є одним із основних доказів хвильової природи світла.

При нагріванні речовина випромінює промені (випромінювання). Якщо випромінювання має одну довжину хвилі, воно називається монохроматичним. У більшості випадків випромінювання характеризується кількома довжинами хвиль. При розкладанні випромінювання на монохроматичні компоненти одержують спектр випромінювання, де окремі його складові виражаються спектральними лініями.

Спектри, що виходять при випромінюванні вільними або слабко зв'язаними атомами (наприклад, гази або пари), називаються атомними спектрами.

Випромінювання, що випускається твердими тілами або рідинами, завжди дає суцільний спектр. Випромінювання, що випускається розпеченими газами та парами, на відміну від випромінювання твердих тіл і рідин, містить лише певні довжини хвиль. Тому замість суцільної лінії на екрані виходить ряд окремих кольорових ліній, розділених темними проміжками. Число і розташування цих ліній залежить від природи розпеченого газу чи пари. Так, пари калію дають - спектр, що складається з трьох ліній, - двох червоних та однієї фіолетової; у спектрі парів кальцію кілька червоних, жовтих та зелених ліній тощо.

Випромінювання, що випускається твердими тілами або рідинами, завжди дає суцільний спектр. Випромінювання, що випускається розпеченими газами та парами, на відміну від випромінювання твердих тіл і рідин, містить лише певні довжини хвиль. Тому замість суцільної лінії на екрані виходить ряд окремих кольорових ліній, розділених темними проміжками. Число і розташування цих ліній залежить від природи розпеченого газу чи пари. Так, пари калію дають спектр, що складається з трьох ліній, - двох червоних та однієї фіолетової; у спектрі парів кальцію кілька червоних, жовтих та зелених ліній тощо.

Такі спектри називаються лінійчастими. Було встановлено, що світло, яке випускається атомами газів, має лінійний спектр, в якому спектральні лінії можуть бути об'єднані в серії.

У кожній серії розташування ліній відповідає певній закономірності. Частоти окремих ліній можуть бути описані формулою Бальмера:

Той факт, що атоми кожного елемента дають цілком певний, властивий тільки цьому елементу спектр, причому інтенсивність відповідних спектральних ліній тим вища, чим більший вміст елемента у пробі, широко застосовується для визначення якісного і кількісного складу речовин і матеріалів. Цей метод дослідження називається спектральним аналізом.

Планетарна модель будови атома виявилася нездатною пояснити лінійний спектр випромінювання атомів водню і більше об'єднання ліній спектру в серії. Електрон, що обертається навколо ядра, повинен наближатися до ядра, постійно змінюючи швидкість свого руху. Частота світла, що ним випромінюється, визначається частотою його обертання і, отже, повинна безперервно змінюватися. Це означає, що спектр випромінювання атома має бути безперервним, суцільним. Згідно з цією моделлю частота випромінювання атома повинна дорівнювати механічній частоті коливань або бути кратною їй, що не узгоджується з формулою Бальмера. Таким чином, теорія Резерфорда не змогла пояснити існування стійких атомів, ні наявності у них лінійних спектрів.

Квантова теорія світла

У 1900 р. М. Планкпоказав, що здатність нагрітого тіла до променевипускання можна правильно кількісно описати, лише припустивши, що промениста енергія випромінюється і поглинається тілами не безперервно, а дискретно, тобто. окремими порціями – квантами. При цьому енергія Екожної такої порції пов'язана з частотою випромінювання співвідношенням, що отримало назву рівняння Планка:

Сам Планк довгий час вважав, що випромінювання і поглинання світла квантами є властивість випромінюючих тіл, а чи не самого випромінювання, здатне мати будь-яку енергію і тому міг би поглинатися безперервно. Однак у 1905 р. Ейнштейн, аналізуючи явище фотоелектричного ефекту, дійшов висновку, що електромагнітна (промениста) енергія існує лише у формі квантів і що, отже, випромінювання є потік неподільних матеріальних «часток» (фотонів), енергія яких визначається рівнянням Планка.

Фотоелектричним ефектомназивається випромінювання металом електронів під дією падаючого на нього світла. Це було докладно вивчено в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовим. Якщо помістити установку у вакуум і подати на платівку Мнегативний потенціал, то струму в ланцюгу не буде спостерігатися, оскільки в просторі між платівкою і сіткою немає заряджених частинок, здатних переносити електричний струм. Але при освітленні платівки джерелом світла гальванометр виявляє виникнення струму (називається фотострумом), носіями якого служать електрони, що вириваються світлом із металу.

Виявилося, що з зміні інтенсивності освітлення змінюється лише число електронів, що випускаються металом, тобто. сила фотоструму. Але максимальна кінетична енергія кожного електрона, що вилетів з металу, не залежить від інтенсивності освітлення, а змінюється тільки при зміні частоти падаючого на метал світла. Саме зі збільшенням довжини хвилі (тобто зі зменшенням частоти) енергія електронів, що випускаються металом зменшується, а потім, при певній для кожного металу довжині хвилі, фотоефект зникає і не проявляється навіть при дуже високій інтенсивності освітлення. Так, при освітленні червоним або помаранчевим світлом натрій не виявляє фотоефекту і починає випускати електрони лише за довжини хвилі, меншої за 590 нм (жовте світло); у літію фотоефект виявляється при ще менших довжинах хвиль, починаючи з 516 нм (зелене світло); а виривання електронів з платини під впливом видимого світла взагалі відбувається і починається лише за опроміненні платини ультрафіолетовими променями.

Ці властивості фотоелектричного ефекту абсолютно незрозумілі з позицій класичної хвильової теорії світла, згідно з якою ефект повинен визначатися (для даного металу) лише кількістю енергії, що поглинається поверхнею металу в одиницю часу, але не повинен залежати від типу випромінювання, що падає на метал. Однак ці властивості отримують просте і переконливе пояснення, якщо вважати, що випромінювання складається з окремих порцій, фотонів, що володіють цілком певною енергією.

Насправді, електрон у металі пов'язаний з атомами металу, так що для його виривання необхідна витрата певної енергії. Якщо фотон має потрібний запас енергії (а енергія фотона визначається частотою випромінювання), то електрон буде вирваний, фотоефект спостерігатиметься. У процесі взаємодії з металом фотон повністю віддає свою енергію електрону, тому що дробитись на частині фотон не може. Енергія фотона буде частково витрачена на розрив зв'язку електрона з металом, частково на повідомлення електрону кінетичної енергії руху. Тому максимальна кінетична енергія вибитого з металу електрона може бути більше різниці між енергією фотона і енергією зв'язку електрона з атомами металу. Отже, при збільшенні числа фотонів, що падають на поверхню металу в одиницю часу (тобто при підвищенні інтенсивності освітлення), збільшуватиметься лише кількість електронів, що вириваються з металу, що призведе до зростання фотоструму, але енергія кожного електрона зростати не буде. Якщо ж енергія фотона менше мінімальної енергії, необхідної для виривання електрона, фотоефект не спостерігатиметься при будь-якій кількості фотонів, що падають на метал, тобто. за будь-якої інтенсивності освітлення.

Квантова теорія світла, розвинена Ейнштейном, змогла пояснити як властивості фотоелектричного ефекту, а й закономірності хімічної дії світла, температурну залежність теплоємності твердих тіл і інших явищ. Вона виявилася надзвичайно корисною й у розвитку поглядів на будову атомів і молекул.

З квантової теорії світла випливає, що фотон нездатний дробитися: він взаємодіє як ціле з електроном металу, вибиваючи його з пластинки; як ціле він взаємодіє і зі світлочутливою речовиною фотографічної плівки, викликаючи її потемніння в певній точці, і т. д. У цьому сенсі фотон поводиться подібно до частки, тобто. виявляє корпускулярні властивості. Однак фотон має і хвильові властивості: це проявляється у хвильовому характері поширення світла, у здатності фотона до інтерференції та дифракції. Фотон відрізняється від частки у класичному розумінні цього терміну тим, що його точне положення у просторі, як і точне положення будь-якої хвилі, не може бути вказано. Але він відрізняється і від «класичної» хвилі – нездатністю ділитися на частини. Поєднуючи в собі корпускулярні та хвильові властивості, фотон не є, строго кажучи, ні часткою, ні хвилею - йому властива корпускулярно-хвильова двоїстість.

Планетарну модель атома запропонував Е. Резерфорд у 1910 році. Перші дослідження структури атома було зроблено з допомогою альфа-частиц. На основі результатів, отриманих в експериментах з їхнього розсіювання, Резерфорд припустив, що весь позитивний заряд атома зосереджений у крихітному ядрі у його центрі. З іншого боку, негативно заряджені електрони розподілені всередині решти його обсягу.

Трохи передісторії

Першу геніальну здогад про існування атомів зробив давньогрецький вчений Демокріт. З того часу ідея про існування атомів, комбінації яких дають усі навколишні речовини, не залишала уяви людей науки. Періодично до неї зверталися різні її представники, але до початку XIX століття їх побудови були лише гіпотезами, не підкріпленими досвідченими даними.

Нарешті, в 1804 році, більш ніж за сто років до того, як з'явилася планетарна модель атома, англійський вчений Джон Дальтон представив докази його існування і ввів поняття атомної ваги, яке стало його першою кількісною характеристикою. Як і його попередники, він представляв атоми найдрібнішими частинами матерії, схожими на тверді кульки, які не можуть бути поділені на ще дрібніші частинки.

Відкриття електрона та перша модель атома

Минуло майже ціле століття, коли, нарешті, наприкінці ХІХ століття також англієць Дж. Дж. Томсон відкрив першу субатомну частку, негативно заряджений електрон. Оскільки атоми електрично нейтральні, Томсон думав, що вони повинні складатися з позитивно зарядженого ядра з розкиданими електронами за його обсягом. Грунтуючись на різних результатах, отриманих експериментально, він в 1898 запропонував свою модель атома, іноді звану «сливи в пудингу», тому що атом у ній представлявся у вигляді сфери, заповненої деякою позитивно зарядженою рідиною, в яку електрони були впроваджені, як «сливи у пудинг». Радіус такої сферичної моделі був близько 10 -8 см. Загальний позитивний заряд рідини симетрично і рівномірно збалансований негативними зарядами електронів, як показано нижче.

Ця модель задовільно пояснювала те, що при нагріванні речовини воно починає випромінювати світло. Хоча це була перша спроба розуміння того, що ж таке атом, вона не змогла задовольнити результати експериментів, виконаних пізніше Резерфордом та іншими. Томсон у 1911 році погодився, що його модель просто не може відповісти, як і чому відбувається розсіяння α-променів, що спостерігається в дослідах. Тому вона була залишена, а на зміну їй прийшла досконаліша планетарна модель атома.

Як же все-таки влаштований атом?

Ернест Резерфорд дав пояснення явища радіоактивності, яке принесло йому Нобелівську премію, проте його найбільш значний внесок у науку було зроблено пізніше, коли він встановив, що атом складається з щільного ядра, оточеного орбітами електронів, як Сонце оточене орбітами планет.

Згідно з планетарною моделлю атома, більша частина його маси сконцентрована в крихітному (порівняно з розмірами всього атома) ядрі. Електрони рухаються навколо ядра, подорожуючи з неймовірною швидкістю, але більшість об'єму атомів є порожнім простором.

Розмір ядра настільки малий, що його діаметр у 100 000 разів менший, ніж у атома. Діаметр ядра була оцінена Резерфордом як 10 -13 см, на відміну від розміру атома - 10-8 см. За межами ядра електрони обертаються навколо нього з високими швидкостями, внаслідок чого виникають відцентрові сили, що врівноважують електростатичні сили тяжіння між протонами та електронами.

Досліди Резерфорда

Планетарна модель атома виникла в 1911, після знаменитого експерименту із золотою фольгою, що дозволило отримати деякі фундаментальні відомості про його будову. Шлях Резерфорда до відкриття атомного ядра є добрим прикладом ролі творчості у науці. Його пошуки почалися ще в 1899 році, коли він виявив, що деякі елементи випускають позитивно заряджені частинки, які можуть проникати через будь-що. Він назвав ці частинки альфа (α) частинками (тепер ми знаємо, що вони були ядрами гелію). Як і всі добрі вчені, Резерфорд був цікавий. Він ставив питання, чи можна використовувати альфа-частинки, щоб дізнатися структуру атома. Резерфорд вирішив націлити промінь альфа-частинок на аркуш дуже тонкої золотої фольги. Він вибрав золото, тому що з нього можна отримувати листи завтовшки всього 0,00004 см. За листом золотої фольги він поставив екран, який світився, коли альфа-частинки вдаряли в нього. Його використовували виявлення альфа-частинок після їх проходження через фольгу. Невеликий проріз у екрані дозволяв променю альфа-частинок досягти фольги після виходу з джерела. Частина їх повинна пройти крізь фольгу і продовжувати рухатися у тому напрямі, інша частина повинна відскакувати від фольги і відбиватися під гострими кутами. Ви можете побачити схему експерименту на малюнку нижче.

Що ж вийшло у досвіді Резерфорда?

Виходячи з моделі атома Дж. Дж. Томсона, Резерфорд припускав, що суцільні області позитивного заряду, що заповнюють весь обсяг золотих атомів, відхилятимуть або згинати траєкторії всіх альфа-часток, коли вони проходять через фольгу.

Однак переважна більшість альфа-часток пройшла прямо через золоту фольгу, начебто її й не було. Здавалося, вони проходять через порожній простір. Лише деякі з них відхиляються від прямого шляху, як і передбачалося спочатку. Нижче наведено графік залежності кількості частинок, розсіяних у відповідному напрямку, від кута розсіювання.

Дивно, але малесенький відсоток частинок повертався від фольги, як баскетбольний м'яч відскакує від щита. Резерфорд зрозумів, що ці відхилення були результатом прямого зіткнення між альфа-частинками та позитивно зарядженими компонентами атома.

Ядро займає центральне місце

Виходячи з нікчемного відсотка відбилися від фольги альфа-частинок, можна дійти невтішного висновку, що весь позитивний заряд і майже вся маса атома зосереджені лише у маленькій області, а решті атома переважно перебуває порожній простір. Резерфорд назвав площу концентрованого позитивного заряду ядром. Він передбачив і невдовзі виявив, що він містить позитивно заряджені частинки, які він назвав протонами. Резерфорд передбачив існування нейтральних атомних частинок, які називають нейтронами, але він не зміг виявити їх. Проте його учень Джеймс Чедвік відкрив їх за кілька років. На малюнку нижче показано структуру ядра атома урану.

Атоми складаються з позитивно заряджених важких ядер, оточених обертовими навколо них негативно зарядженими надзвичайно легкими частинками-електронами, причому на таких швидкостях, що механічні відцентрові сили просто балансують їхнє електростатичне тяжіння до ядра, і у зв'язку з цим нібито забезпечується стабільність атома.

Недоліки цієї моделі

Основна ідея Резерфорда належала до ідеї малорозмірного атомного ядра. Припущення про орбіти електронів було чистою гіпотезою. Він не знав точно, де і як електрони обертаються довкола ядра. Тому планетарна модель Резерфорда не пояснює розподілу електронів на орбітах.

Крім того, стабільність атома Резерфорда була можлива лише при безперервному русі електронів орбітами без втрат кінетичної енергії. Але електродинамічні розрахунки показали, що рух електронів за будь-якими криволінійними траєкторіями, що супроводжується зміною напрямку вектора швидкості та появою відповідного прискорення, неминуче супроводжується випромінюванням електромагнітної енергії. При цьому, згідно із законом збереження енергії, кінетична енергія електрона повинна дуже швидко витратитися на випромінювання, і він повинен впасти на ядро, як показано на рисунку нижче.

Але цього немає, оскільки атоми є стабільними утвореннями. Виникло типове для науки протиріччя між моделлю явища та досвідченими даними.

Від Резерфорда до Нільса Бора

Наступний великий крок вперед в атомній історії стався в 1913 році, коли датський учений Нільс Бор опублікував більш детальну модель атома. Вона визначала чіткіше місця, де можуть бути електрони. Хоча пізніше вчені розвиватимуть і вишуканіші атомні конструкції, але планетарна модель атома Бора була переважно правильною, і багато чого з неї приймається досі. Вона мала безліч корисних додатків, наприклад, з її допомогою пояснюють властивості різних хімічних елементів, характер спектру їх випромінювань та будову атома. Планетарна модель і модель Бора стали найважливішими віхами, що позначили появу нового напряму у фізиці - фізики мікросвіту. Бор отримав Нобелівську премію 1922 року з фізики за його внесок у наше розуміння структури атома.

Що нового привніс Бор у модель атома?

Будучи ще хлопцем, Бор працював у лабораторії Резерфорда в Англії. Оскільки в моделі Резерфорда була опрацьована концепція електронів, Бор зосередився саме на них. В результаті було суттєво доопрацьовано планетарну модель атома. Постулати Бора, які він сформулював у статті «Про будову атомів і молекул», що вийшла 1913 року, свідчать:

1. Електрони можуть рухатися навколо ядра тільки на фіксованих відстанях від нього, що визначаються тією кількістю енергії, яка у них є. Він назвав ці фіксовані рівні енергетичними рівнями чи електронними оболонками. Бор представляв їх як концентричних сфер, з ядром у центрі кожної їх. При цьому електрони з меншою енергією будуть знайдені на нижчих рівнях ближче до ядра. Ті ж з них, у кого більше енергії, буде знайдено на вищих рівнях, далі від ядра.

2. Якщо електрон поглинає деяку (цілком визначену для даного рівня) кількість енергії, то він стрибатиме на наступний, більш високий енергетичний рівень. І навпаки, якщо він втратить таку кількість енергії, то повернеться назад до вихідного рівня. Проте електрон неспроможна існувати двох енергетичних рівнях.

Ця ідея ілюструється малюнком.

Енергетичні порції для електронів

Модель атома Бора насправді є поєднанням двох різних ідей: атомної моделі Резерфорда з електронами, що обертаються навколо ядра (насправді це планетарна модель атома Бора-Резерфорда), і ідеї німецького вченого Макса Планка про квантування енергії речовини, опублікованої в 1901 році. A квант (у множині - кванти) є мінімальною кількістю енергії, яка може бути поглинена або випромінювана речовиною. Він є своєрідним кроком дискретизації кількості енергії.

Якщо енергію порівняти з водою і ви хочете додати її до матерії у вигляді склянки, ви не можете просто залити воду безперервним струменем. Натомість ви можете додати її в невеликих кількостях, наприклад, по чайній ложці. Бор вважав, що й електрони можуть поглинати чи втрачати лише фіксовані кількості енергії, вони повинні варіювати свою енергію лише цими фіксованими кількостями. Таким чином, вони можуть займати лише фіксовані енергетичні рівні навколо ядра, які відповідають квантованим збільшенням їхньої енергії.

Так із моделі Бора виростає квантовий підхід до пояснення, що ж собою являє будову атома. Планетарна модель і модель Бора з'явилися своєрідними щаблями від класичної фізики до квантової, яка є основним інструментом у фізиці мікросвіту, включаючи атомну фізику.