Будова атома

2.1.2.1 Дослід Резерфорда (теорія будови атома та моделі атома)

На початку XX ст. було відомо, що атоми являють собою складні системи, до яких входять електрони. Першу модель будови атома запропонував Дж. Томсон у 1901 р. Модель атома Томсона називавють «пудинговою» — за аналогією з традиційним британський пирогом з родзинками. Проте така модель атома мала свої обмеження і не відповідала дослідним фактам, отриманим на той час фізиками.

Кельвін і X. Нагаока у 1903 р. висунули ідею про планетарну модель атома, вважаючи, що позитивний заряд розміщений в центрі атома, а навколо нього знаходяться електрони. Питання про те, яка модель відповідає дійсності, могло бути розв'язане тільки експериментально. Відповідь на нього дали досліди Е. Резерфорда по розсіянню а-частинок атомами.

Альфа-частинки — це позитивно заряджені частинки, заряд яких дорівнює двом зарядам електрона, а маса приблизно в чотири рази більша за масу атома Гідрогену, тобто це ядра атома Гелію.

У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд, досліджуючи разом зі своїми співробітниками бомбардування альфа-частинками тонких металевих пластинок, встановив, що вони певним чином розсіюються в речовині

Рис.2.Схема досліду Резерфорда

Вузький пучок швидких альфа-частинок 1,спрямовувався на тонку золоту чи платинову пластинку 2, за якою розміщувався екран 3, здатний фіксувати їх попадання на екран спалахами. За допомогою спеціального оптичного пристрою 4 можна була спостерігати і вимірювати кут відхилення φ альфачастинок.

Дослід Е. Резерфорда започаткував основи сучасних уявлень про будову атома більшість із них рухалася майже прямолінійно (кут відхилення φ становив 1—2°). Проте незначна їх частка відхилялася на більші кути; були зафіксовані навіть такі альфачастинки, які після розсіювання змінювали свій напрямок руху на протилежний (φ > 90°).

Щоб пояснити одержані результати, Е. Резерфорд припустив, що атом має складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони.

Його розрахунки довели, що в ядрі зосереджена практично вся маса атома, але його розміри набагато менші за сам атом. Вимірювання показали, що лінійні розміри атома становлять приблизно 10^-10 м, а радіус його ядра дорівнює близько 10^-15 м. Зрозуміло, що схематичні зображення атомів тут і в інших книгах подаються без дотримання масштабів.

Отже, на підставі одержаних експериментальних даних Е. Резерфорд запропонував ядерну модель атома, яка узгоджувалася з результатами дослідів і пояснювала багато інших явищ, пов'язаних з будовою атома.

Рис.3. Моделі атома

Справді, швидкі альфа-частинки легко долають простір електронних оболонок атомів, не зазнаючи з їхнього боку значного впливу, і тому майже не відхиляються від прямолінійної траєкторії руху. Проте коли вони пролітають досить близько від позитивно зарядженого ядра атома, кулонівська взаємодія між ядром і частинками змушує їх викривляти траєкторію і відхилятися на певний кут.

Рис.4. Траєкторія α-частинки.

Е. Резерфорд на основі законів електромагнітної взаємодії вивів формулу, яка дає змогу обчислити кількість α -частинок, розсіяних на кут φ, залежно від їх енергії і хімічної природи досліджуваного матеріалу.

(1.1)

Пізніше ця теоретично виведена формула (1.1) була експериментально підтверджена й остаточно утвердила в фізиці ядерну модель атома.