Перші моделі атома. Дослід Резерфорда

Наступний етап у розвитку уявлень про атом пов’язаний з відкриттям ядра Резерфордом. Відкриттю Резерфорда передувало чотири “золотих” року, що відкрили нову еру у фізиці: 1895 – промені Рентгена, 1896 г. – явище радіоактивності, 1897 г. – електрон, 1898 – радій. Ці відкриття дали в руки фізиків нові потужні засоби для подальших досліджень. Атака на атом посилилася.
У 1902 р Вільям Томсон (лорд Кельвін) запропонував модель атома, в якій позитивний заряд вважався розподіленим в деякій невеликій області простору, можливо сферичної форми, тоді як електрони вкраплені в цей заряд, подібно ізюму в пирозі. Дж.Дж. Томсон розвинув в 1904 р цю ідею і, зокрема, досліджував такі конфігурації електронів, які могли бути стійкими при заданому розподілі позитивного заряду. Він висунув припущення, що стійкі конфігурації електричних зарядів відповідають хімічно неактивним елементам (до яких відносяться благородні гази), у той час як менш стійкі конфігурації – більш активним елементам. Таким чином, він намагався пояснити періодичну таблицю елементів. Коли атом Томсона збуджувався (наприклад, у полум’ї свічки), коливатися починали тільки легкі електрони, важчий позитивний заряд залишався в спокої. Різні конфігурації елементів відповідали різним комбінаціям спектральних ліній. З вимірів довжин хвиль, що випускаються світлом, Томсон знайшов, що радіус сфери, займаної позитивним зарядом, повинен бути порядку 10-8 см, що узгоджувалося з оцінками, отриманими з кінетичної теорії газів. Однак жодних прямих відомостей щодо фактичного розподілу зарядів в атомі тоді ще не існувало. Ці відомості можна було добути за допомогою методу, енергійно розроблявся протягом першого десятиліття XX в. Він полягав у дослідженні відхилення частинок при бомбардуванні ними тонкої фольги різних речовин. Використовуючи цей метод, Резерфорд відкрив атомне ядро.
Резерфорд писав: “Я спостерігав розсіювання d-частинок, а доктор Гейгер досліджував в моїй лабораторії це явище докладно. Він виявив, що в тонких металевих пластинках це розсіювання зазвичай мало, близько 2 градуси. Одного разу Гейгер прийшов до мене і сказав:” Не думали Ви, що молодому Марсдену, якого я навчаю радіоактивним методам, пора приступити до невеликого дослідження? “Я теж вважав, що пора, тому сказав, чому б не доручити йому з’ясувати питання про те, чи можуть d-частинки розсіюватися на великі кути? По секрету можу вам сказати, що сам я не вірив, що такий ефект можливий, тому що ми знали, що d-частинки являють собою дуже швидку важку частку з величезним запасом кінетичної енергії, так що ймовірність розсіювання назад для неї надзвичайно мала, якщо вважати , що сумарне розсіювання d-частинок складається з декількох розсіяння на малі кути. Далі, я пам’ятаю, що через кілька днів до мене прийшов вкрай збуджений Гейгер і заявив: “Нам вдалося спостерігати кілька d-частинок, розсіяних назад …”. Це було самим неймовірною подією в моєму житті. Воно було настільки ж неймовірним, як якщо б 15-дюймовий снаряд, випущений в шматок цигаркового паперу, відскочив від неї і вдарив би в стріляючого <…> Поміркувавши, я зрозумів, що це розсіювання назад повинно бути результатом одиничного зіткнення і, коли я провів розрахунки, я побачив, що неможливо отримати ефект такого порядку, якщо не вважати, що основна частина маси атома сконцентрована в невеликому ядрі. Саме тоді у мене виникла ідея атома з крихітним важким центром, несучим заряд “.

Резерфорду було 40 років, коли він відкрив атомне ядро. До цього він був удостоєний Нобелівської премії за відкриття мимовільного перетворення радіоактивних елементів, відкриття, привернула вчених до проблеми будови атомів. Довівши існування ядра, Резерфорд вніс ще один внесок у дослідження атомної структури. Одного разу, кажучи про тріумфи Резерфорда, які слідували один за іншим, хтось з друзів сказав йому: “Ви щаслива людина <…> Завжди на гребені хвилі!” “Так, – відповів Резерфорд, – але я сам і піднімаю цю хвилю, чи не так?”
Відкриття ядра відбулося в 1911 р, а в 1914 р почалася війна, і майже всі дослідження в Манчестері припинилися. Марсден бився за Англію, Гейгер – за Німеччину, Мозлі, один з найталановитіших учнів Резерфорда, був убитий в битві при Галліполі. Але період з 1911 по 1914 рр. був золотим періодом роботи Резерфорда в Манчестері, оскільки в основу всіх досліджень лягла нова модель атома. Відкриття посипалися, як з рогу достатку, як говорили, “по одному на тиждень”, і в лабораторії часто чулося: “Вперед, солдати Христа”. У кожного члена “команди” Резерфорда була маса ідей. “Не мало майже ніякого значення, – розповідав Марсден, – хто виконував роботу і опубліковував отримані результати. Для всіх знаходилася прекрасна пожива, і ніхто не відштовхував сусіда в гонитві за ласим шматком”.
Однак за стінами Манчестерской лабораторії ситуація була іншою. Лише деякі фізики усвідомили значення атомної моделі. У цьому винен і Резерфорд, який не показав важливість своєї роботи, не привів достатньо вагомих доказів, що не спробував пояснити відомі хімічні властивості і т.д. А модель Томсона пояснювала деякі хімічні властивості. Але в 1913 р ситуація змінилася. Один з учнів Резерфорда дозволив основну проблему будови атома. Цим учнем був Нільс Бор. Нільс Бор застосував до вирішення завдання квантову теорію, яка до того часу існувала вже тринадцять років. Основи цієї теорії заклав Макс Планк.

Посилання на основну публікацію