Состав и модели атома

Состав атома, Экспериментальные методы, Модели строения атома В результате физики получили возможность приступить к решению задачи об изучении распределения заряда внутри атома (размер атомов порядка \(0,1\) нм \(=10^{-10}\) м ). Довольно быстро было выяснено, что размеры области распределения заряда (эту величину физики называют «зарядовым радиусом») у свободного электрона может быть заметно меньше радиуса атома. Кроме того, было ясно, что электромагнитное излучение атомов предполагает ускоренное движение каких-то заряженных частиц внутри атома - скорее всего, более легких электронов (а не тяжелых положительно заряженных частиц). Поэтому первой разработанной моделью внутреннего строения атома стала предложенная в 1904 году Джозефом Томсоном «модель пудинга», в которой положительный заряд и почти вся масса атома были распределены по объему всего атома (как «творог» в пудинге), а небольшие легкие электроны «вкраплены» в это облако (как «изюминки») и могут совершать колебания внутри него. Эта модель была достаточно популярна, но полной уверенности в ее корректности у физиков не было. С 1909 по 1913 год Эрнстом Резерфордом и его сотрудниками были выполнены эксперименты по выяснению реальной картины распределения заряда. Идея экспериментов состояла в том, чтобы «просветить» атом быстрыми заряженными частицами. Отклонение такой частицы от первоначального направления движения должно зависеть от силы ее взаимодействия с электрическим полем атома, а это поле определяется как раз распределением заряда. Надо отметить, что со времен эксперимента Резерфорда и до настоящего времени такой метод изучения структуры объекта (изучение рассеяния на этом объекте пучков частиц) остается основным методом, используемом в микромире. Обычно он дополняется методом изучения излучений (частиц), испускаемых объектом. В случае с атомами опыты Резерфорда привели к полному опровержению модели Томсона. Резерфорд использовал источник \(\alpha\) -частиц - полностью ионизированных атомов гелия, имеющих массу примерно в 8000 раз больше массы электрона и заряд \(+2 e\) , движущихся со скоростью порядка \(1 / 15\) от скорости света в вакууме (подробнее см. следующую лекцию по теме «Радиоактивность»). \(\alpha\) -частицы направлялись на очень тонкую золотую фольгу (малая толщина была выбрана для того, чтобы они взаимодействовали с небольшим числом атомов). Обнаружилось, что некоторые из частиц отражались от атомов золота (меняли направление своего движения на противоположное). Такое возможно при лобовом ударе, в ходе которого поле атома останавливает частицу, а потом разгоняет уже в противоположном направлении. Для простоты пренебрежем полем электронов и, считая массу атома золота \(M\) намного больше массы \(\alpha\) -частицы \(m\) (действительно, \(\frac{M}{m} \approx 49>>1\) ), определим радиус распределения положительного заряда \(Q=+79 e\) из атома золота, который способен отразить \(\alpha\) -частицу. Кинетическая энергия частицы «на бесконечности» \(E\) полностью переходит в потенциальную энергию ее взаимодействия с положительным зарядом в точке остановке на расстоянии \(r\) от центра этого заряда: \(\frac{m v_{0}^{2}}{2}=\frac{2 e Q}{4 \pi \varepsilon_{0} r} \Rightarrow r=\frac{49 e^{2}}{\pi \varepsilon_{0} m v_{0}^{2}} \approx 10^{-15}\) м. При этом учет поля электронов еще больше ужесточает требования к точке остановки. Следовательно, радиус распределения положительного заряда в атоме золота порядка \(10^{-15}\) м, то есть примерно в 100000 раз меньше радиуса самого атома! В модели Томсона \(\alpha\) -частицы с такими энергиями должны были практически беспрепятственно проходить атом «насквозь». В результате в 1911 году Резерфордом было предложена новая модель строения атома («планетарная модель», или модель Резерфорда), в которой атом состоит из ядра - очень плотного тяжелого положительно заряженного образования радиусом порядка \(10^{-15}\) м и нескольких электронов, движущихся в области с размером порядка \(10^{-10}\) м. В том же году Ван ден Брук на основе анализа данных экспериментов Резерфорда указал, что заряд ядра атома в единицах элементарного заряда совпадает с атомным номером Z соответствующего элемента в таблице Менделеева. К 1913 году этот вывод был подтвержден и в экспериментах по изучению спектров излучения атомов. Таким образом, заряд ядра \(Q=+Z e\) , и количество электронов в атоме тоже равно \(Z\) .