На пути познания сложной структуры атомов вещества наукой пройден непростой путь. Одним из шагов на этом пути явилась планетарная модель атома. Рассмотрим эту модель подробнее.
Атомы же элементов долгое время считались неделимыми.
Однако, в самом конце XIXв были открыты электроны – их испускал нагретый электрод в колбе с вакуумом. Стало ясно, что даже атомы простого вещества имеют структуру. Согласно первой атомной теории Дж.Томсона атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого заключены один или несколько электронов.
Опыты Э. Резерфорда
Для зондирования состава атома Э. Резерфорд использовал поток альфа-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом на тонкую металлическую фольгу, а после прохождения фольги частицы попадали на экран, вызывая его свечение. По размеру зоны отклонения можно было судить о том, как воздействовал атом вещества фольги на альфа-частицу.
Альфа-частица (фактически, представляющая собой ядро атома гелия) имеет гораздо больший вес, чем электрон, таким образом, электроны не могут сколь-нибудь заметно повлиять на ее движение. Отклонение альфа-частицы может происходить только из-за взаимодействия с положительно заряженным атомом. При этом, чем равномернее распределен заряд по атому, тем меньше он будет отклонять альфа-частицу, влияя только на ее скорость (в результате кулоновского взаимодействия).
Опыт дал неожиданный результат. Большинство альфа-частиц, как и следовало ожидать, отклонялись очень слабо. Однако, небольшой их процент отклонялся на большие углы, иногда частицы полностью меняли направление движения. Модель Томсона никак не могла объяснить этого явления.
Планетарная модель атома
Из опыта Резерфорда следовало, что хотя атом имеет размер порядка $10^{-10}$ м, весь положительный заряд и вся масса атома сосредоточена в очень малой его части, порядка $10^{-14}-10^{-15}$ м !
Поэтому была предложена планетарная модель строения атома, согласно которой внутри атома имеется маленькое положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются отрицательно заряженные электроны.
В целом атом получается нейтральным. Электроны не падают на ядро потому, что они вращаются вокруг него по круговым орбитам. Таким образом, атом подобен Солнечной системе, ядро подобно Солнцу, а электроны – планетам.
На самом деле атом заметно более «пуст», чем Солнечная система. Если атом увеличить так, чтобы ядро увеличилось до размера Солнца, орбиты электронов будут в сто раз дальше от Солнца, чем Земля.
Проблемы планетарной модели
Планетарная модель атома Резерфорда объяснила опыт по рассеянию альфа-частиц, однако, она противоречила электродинамике Максвелла, согласно которой заряд, движущийся с ускорением, должен излучать электромагнитные волны. Электрон, двигаясь по круговой орбите, имеет постоянное центростремительное ускорение, а значит, должен излучать, теряя энергию, и в конце концов, должен упасть на ядро. Расчеты показывали, что это должно происходить очень быстро. Однако, в реальности атомы устойчивы. Данное затруднение было преодолено только с развитием квантовой физики.
Что мы узнали?
Открытие электрона показало, что атом имеет сложную структуру. В результате опытов Э.Резерфорда была предложена планетарная модель строения атома, где весь положительный заряд и почти вся масса сосредоточена в ядре малых размеров, а электроны вращаются вокруг ядра на некотором расстоянии.
