Модель атома Томсона и Резерфорда

Учение об атомном строении вещества возникло в античные времена. Однако, до конца XIX века атом считался элементарной неделимой первоосновой (“кирпичиком ”) любого вещества.

В середине XIX века экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества. (В 1749 году Бенджамин Франклин высказал гипотезу, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию. Центральную роль электрической материи он отводил представлению об атомистическом строении электрического флюида. В работах Франклина впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества.

Вильгельм Вебер в своих работах с 1846 года вводит понятие атома электричества и гипотезу, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления.

Майкл Фарадей ввел термин «ион» для носителей электричества в электролите и предположил, что ион обладает неизменным зарядом. Г. Гельмгольц в 1881 году показал, что концепция Фарадея должна быть согласована с уравнениями Максвелла.Джордж Стоней в 1881 году впервые рассчитал заряд одновалентного иона при электролизе, а в 1891 году, в одной из теоретических работ Стоней предложил термин «электрон» для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе.)

1. В 1905 г. Была предложена Дж. Дж. Томсоном (лорд Кельвин) первая модель атома, согласно которой атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиуса ~ 10^-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален (модель атома Томсона называют “булочкой с изюмом” или “пудинг с изюмом”).

1. Модель атома Резерфорда

Э. Резерфорд в 1909 г. Провел эксперименты по прохождению α - частиц сквозь тонкие металлические пластинки золота и платины. (α-частицы возникают при радиоактивных превращениях. Заряд α - частицы равен двум зарядам электрона: q_α = 2 e = 2·1,6·10^-19Кл, масса четырем массам протона: m_α = 4 m_p= 4·1,67·10^-27 кг). α - частицы испускались радием, помещенным внутри свинцовой полости с каналом так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок попадал на фольгу из золота перпендикулярно её поверхности. α - частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею вызывали вспышки (сцинтилляции) на флуоресцирующем экране.

Опыты показали, что в большинстве случаев α – частицы после прохождения через фольгу сохраняли прежнее направление или отклонялись на очень малые углы. Однако некоторые α – частицы (приблизительно одна из 20 000) отклонялись на большие углы, порядка 135 ÷ 150°. Т.к. электроны не могут существенно изменять движение α – частицы (), то Э. Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре – области занимающей весьма малый объём по сравнению со всем объёмом атома. Остальная часть атома представляет собой облако отрицательно заряженных электронов, полный заряд которых равен положительному заряду ядра. Эта модель атома была предложена Резерфордом в 1911 г. и получила название планетарной модели атома, т.к. она напоминает солнечную систему: в центре системы находится “солнце”- ядро, а вокруг него по орбитам движутся “планеты” – электроны.

Недостатки модели Э. Резерфорда:

а) Электроны в атомной модели не могут быть неподвижными, т.к. под действием силы Кулона они бы притянулись (и ”упали бы”) к ядру. В этой модели существует бесконечно много значений радиусов орбит электрона и соответствующих им значений скорости

Откуда следует, что радиус и скорость может изменяться непрерывно. Следовательно, может испускаться любая порция энергии, и, следовательно, спектр атома должен быть сплошным. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатые спектры.

б) При r ≈10^-10 м v ≈ 10⁶ м/с и Согласно электродинамике, электроны, движущиеся с ускорением, должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. И тогда, электрон будет по спирали приближаться к ядру, и через τ ≈ 10^-10 с упасть на него. С другой стороны, частота излучения должна непрерывно изменяться вследствие изменения r,v,T. Следовательно, атом будет давать непрерывный спектр.

Попытки построить модель атома с использованием законов классической механики, электричества и оптики привели к противоречию с экспериментальными данными:

модель - а) неустойчивость атома; б) сплошной спектр;

эксперимент - а) атом устойчив; б) излучает при определенных условиях; в) линейчатый спектр.