Планетарная модель атома

Поначалу о строении атомов было известно одно: внутри них есть электроны (их окончательное открытие Дж. Дж. Томсоном состоялось в 1897 году). А что еще? Это должно быть нечто положительно заряженное и тяжелое, обеспечивающее практически всю массу атома. До 1911 года единственной гипотетической моделью атома была модель Томсона. Он предположил, что положительный заряд и масса равномерно распределены по объёму атома. Электроны «вкраплены» в эту массу, подобно изюму в тесте (модель так и называли: «пудинг с изюмом»). О природе этой положительной субстанции не имелось никаких догадок.

Эрнст Резерфорд, уже прославившийся своими исследованиями радиоактивности, решил «прощупать» атом, бомбардируя его альфа-частицами, словно снарядами. Он направлял пучок альфа-частиц на тонкую золотую фольгу и наблюдал, как частицы рассеиваются ею. Предварительные оценки показывали, что весьма энергичные «снаряды» должны легко пронизывать не слишком плотную положительную субстанцию, отклоняясь лишь на малые углы. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что отдельные частицы отклонялись на очень большие углы — до 180^о (доля таких частиц была около 1/8000, см. рис. 1.) Позднее Резерфорд говорил: «Это было самое невероятное событие в моей жизни. Это было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а он полетел бы в обратном направлении и попал в вас».

Рисунок 1. Что ожидалось при «обстреле» атома, и что изредка наблюдалось

Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате прямого попадания частицы в очень малое по размеру положительно заряженное ядро, в котором и сосредоточена практически вся масса атома (суммарная масса электронов в тысячи раз меньше).

В планетарной модели атома Резерфорда электроны обращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Радиус самой большой электронной орбиты и задает границу атома.

Радиус ядра в сто тысяч раз меньше размера атома. Для его измерения используют единицу длины - ферми (Ф):

1 Ф = 10^-15 м

Радиусы ядер составляют несколько ферми. Это в сотни миллионов раз меньше длин волн видимого света. Атом еще более «пустой», чем Солнечная система: если сопоставить ядро с Солнцем, то радиус электронной орбиты в атоме водорода примерно в 10 раз больше радиуса орбиты Плутона.

Казалось, планетарная модель — единственно возможная трактовка результатов эксперимента. Однако эта модель противоречит законам классической электродинамики. Ведь при движении с ускорением (а движение по орбите — это движение с ускорением) электрон должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Расчеты показали, что из-за этого излучения электрон должен упасть на ядро быстрее, чем за стомиллионную долю секунды!

Планетарную модель Резерфорда спас молодой теоретик Нильс Бор. Он предположил, что для электронных орбит в атоме законы классической физики недействительны (ведь события 1900 и 1905 годов уже выявили непригодность классических законов для объяснения теплового излучения и фотоэффекта). Бор постулировал наличие особых стационарных орбит для электронов в атоме, находясь на которых электроны не излучают. Излучение может происходить только при переходе с одной стационарной орбиты на другую.

Для простейшего атома — атома водорода — Бор предложил способ отбора стационарных орбит, на основе которого он смог вычислить энергии электрона на этих орбитах, а главное — частоты излучения атома водорода. Эти частоты давно уже были экспериментально определены, и результаты вычислений Бора точнейшим образом с ними совпали. Такой успех заставил физиков принять эти странные постулаты.

Благодаря теории Бора идеи квантования (дискретного характера физических величин в микромире) распространились не только на свет, но и на другие объекты микромира. Оказалось, в частности, что квантуется энергия электронов в атоме. Это вскоре было подтверждено в опытах. Теория Бора стимулировала постановку многих экспериментов, принесших новые открытия.

Позднее, когда была построена квантовая механика Шрёдингера, необходимость в боровских постулатах отпала — можно сказать, они послужили «строительными лесами» для развития квантовой механики.