Модель атома Резерфорда

В 1910—1911 гг. Э. Резерфорд (1871 —1937) рядом блестящих опытов показал, что модель атома Томсона ошибочна. Изучая рассеяние быстрых альфа-частиц при- прохождении их через тонкие металлические слои (§ 15.1), он обнаружил, что α-частицы рассеиваются на всевозможные углы, вплоть до весьма больших, близких к 180°. На рисунке 13.1 показаны траектории частицы, приближающейся к положительно заряженному неподвижному иону, при разных прицельных расстояниях р эти расчеты велись в предположении кулоновского взаимодействия между альфа-частицей и ионом. Чем меньше р, тем сильнее взаимодействие и тем больше угол рассеяния. Рассеяние на углы, близкие к 180°, возможно только при условии, что наименьшее расстояние между частицей и ионом достаточно мало.

Рис 13.1

Это расстояние rm можно оценить, приравнивая начальную кинетическую энергию альфа- частицы ее потенциальной энергии в момент остановки (при р=0):

(13.3)

где e1 — заряд иона, т — масса альфа-частицы.

Развитая Резерфордом теория рассеяния альфа-частиц блестяще подтвердилась на опыте, причем выяснилось, что заряд иона

e1=Ze

определяется атомным номером Z вещества рассеивающего слоя.

Наименьшее расстояние rm оказалось неожиданно малым. Так, при ν=107 м/с было найдено rm =10-15 м, что на много порядков меньше радиуса томсоновского атома, оценивавшегося из молекулярных данных. Так Резерфорд пришел к ядерной модели атома: тяжелое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома и заряд Ze, имеет радиус порядка 10-15 м. Вокруг него движутся электроны, заполняя объем радиусом 10-10 м (радиус атома). Эти результаты сыграли огромную роль для понимания структуры атома, но полной ясности еще не было. Обращающиеся вокруг ядра электроны обладают центростремительным ускорением, а ускоренно движущийся электрон должен излучать. Его расстояние до ядра должно непрерывно уменьшаться, а частота обращения (классическая физика приравнивала ее частоте излучения) должна непрерывно возрастать. Таким образом, спектр должен быть непрерывным, а атом — неустойчивым, что противоречит действительности. Резерфорд понимал эти противоречия, но не мог найти выхода из них, оставаясь в рамках классической физики.