Перші моделі атома

У ході вивчення катодного випромінювання і радіоактивності виявилося, що до складу атомів елементів входять електрони. Оскільки атоми електронейтральні, то вони повинні мати стільки позитивних зарядів, скільки міститься в них електронів. З’ясуємо, як же розміщуються в атомі електрони й позитивні заряди.

негативно заряджені електрони. Виходячи з розміщення елементів у періодичній системі Д.І.Менделєєва і періодичної зміни їх хімічних властивостей Томсон припустив, що електрони в атомі розміщуються пошарово й хімічні властивості елементів зумовлені зовнішнім шаром електронів. Така модель атома трактувала тільки деякі його властивості (випромінювання, розсіювання, поглинання світла). Багато експериментальних даних, зокрема досліди Резерфорда, модель Томсона пояснити не могла.

Для перевірки цієї моделі та більш точного визначення внутрішньої будови атома Резерфорд провів серію дослідів з a-частинками, які утворюються в результаті радіоактивного розпаду. Він спрямував a-частинки, спостерігаючи за їх рухом, на тоненькі металеві пластинки (рис. 7). Учений встановив, що переважна більшість a-частинок проникала крізь металеві пластинки, деякі з них відхилялись під кутом від прямолінійного напряму руху і тільки незначна кількість (1 частинка із 10 000) була відкинута у вихідне положення. Проходження a-частинок через металеву пластинку і відкидання від неї неможливо пояснити з позиції моделі атома Томсона. Справді, a-частинка, яка має подвійний позитивний заряд і значну масу, під час її швидкого руху може бути відкинута у вихідне положення лише тоді, коли зіткнеться зі значно більшим позитивним зарядом. Крім того, проходження великої кількості a-частинок крізь металеву пластинку є доказом того, що атом майже “порожній” і має дискретну будову.

Рис. 7. Схема досліду Резерфорда:

1 – свинцева скринька; 2 – препарат Радію; 3 – пучок a-частинок; 4 – екран; 5 – проміння a-частинок, що відхилилися на невеликі кути або різко змінили напрям руху; 6 – тонка металева пластинка; 7 – a-частинки, які не змінили свій напрямок

На основі своїх дослідів Резерфорд у 1911 р. запропонував ядерну модель атома. Відповідно до неї в центрі атома міститься позитивно заряджене ядро, маса якого майже дорівнює масі атома, навколо ядра рухаються електрони, число яких дорівнює позитивному заряду ядра. Між ядром і електронами взаємодіють електростатичні (кулонівські) сили, зрівноважені відцентровою силою, що виникає внаслідок руху електронів. Якщо сила кулонівського притягання до ядра дорівнює , а відцентрова сила , то

= ,

(2)

де m – маса електрона; v – швидкість руху електрона; e – заряд електрона; r – радіус орбіталі, по якій рухається електрон.

Досліди з a-частинками дали змогу Резерфорду оцінити величину заряду ядер різних атомів. Результати обчислень показали, що заряд ядра атома чисельно дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Атоми елементів нейтральні, а тому кількість електронів у кожному з них також дорівнює відповідному порядковому номеру елемента.

Велике значення у встановленні заряду ядра атома мали дослідження учня Резерфорда англійського фізика Мозлі.