Одна з перших спроб створити модель атома належить Дж. Томсону (1903 р.). Аналізуючи експериментальні дані, він припустив, що атом є рівномірно зарядженою кулею розміром порядку 10–10 м, яка має позитивний заряд. Усередині кулі біля своїх положень рівноваги коливаються електрони. Сумарний від’ємний заряд електронів дорівнює заряду кулі і атом за моделлю Томсона є нейтральним. Однак, обґрунтувати стабільність атома ця модель була неспроможна. З точки зору класичної електродинаміки подібна система зарядів була не стійкою.
Резерфорд та альфа частинки
У 1911 р. Е. Резерфорд дослідив розсіювання α-частинок під час проходження їх крізь тонку металеву фольгу. Джерелом α-частинок є атоми деяких важких не стабільних елементів. Маса α-частинок приблизно у чотири рази більша за масу атома водню, а їх електричний заряд позитивний і дорівнює двом елементарним зарядам. Енергії α-частинок, які випромінюються різними радіоактивними елементами, мають порядок величини 106 – 107 еВ.
Установку для вивчення розсіювання α-частинок схематично зображено на рис. 6.17. Потік α-частинок, пройшовши через вузьку діафрагму Д, потрапляє на тонку металеву фольгу Ф завтовшки 10–6 – 10–7 м. При проходженні через фольгу спостерігалося відхилення певної кількості частинок на різні кути від початкового напряму руху. На флуоресцентному екрані Е можна спостерігати місця потрапляння α-частинок і вимірювати ці кути.
Унаслідок експериментів було встановлено, що більшість α-частинок, пройшовши крізь мішень, майже не відхиляється від попереднього напрямку, й лише деякі частинки змінюють напрям руху, відхиляючись на дуже великі кути — до 150о (рис. 6.18).
Ці результати були експериментальним підтвердженням висловленої Резерфордом ідеї про те, що весь позитивний заряд атома зосереджений у його ядрі — області, яка займає дуже малий об’єм порівняно з усім об’ємом атома. Розглянувши центральний удар α-частинки з невідомою частинкою, Резерфорд приблизно розрахував розмір цієї невідомої частинки, на якій відбувається розсіювання.
Припустимо, що заряд невідомої частинки дорівнює елементарному заряду q0 — 1,6 10-19 Кл, тоді із закону збереження енергії випливає.
де m0 = 6,6.10-27кг — маса α -частинки, qα = 3,2.10-19 Кл — її заряд, Vα ≈ 107 м/c — її швидкість, R — відстань від α-частинки до невідомої частинки, на який кінетична енергія α-частинки перейде в потенціальну енергію їх кулонівського відштовхування.
Приблизна оцінка дає R ≈ 1,4. 10-15 м. Ця відстань на кілька порядків менша від розміру атома (Rатома ≈ 10-10м). В об’ємі радіуса R зосереджено весь позитивний заряд і майже вся маса атома.
Більш детальні теоретичні розрахунки дозволяють зробити ще один важливий висновок, який дістав блискуче експериментальне підтвердження.
Позначимо через n густину потоку α-частинок, які налітають на ядро, а через dN — число α-частинок, розсіяних за одиницю часу всередині тілесного кута dΩ. З теорії розсіяння зарядженої частинки кулонівським полем випливає формула:
де Z — число елементарних позитивних зарядів, що знаходяться всередині ядра атома, W — енергія α-частинок.
Ця формула дає можливість за виміряним числом α-частинок, розсіяних під певним кутом, визначити число Z елементарних позитивних зарядів, що знаходяться в ядрі атомів речовини, на якій відбувається розсіяння. Досліди Гейгера і Марсдена показали, що це число дорівнює порядковому номеру Z елемента в таблиці Менделєєва.
Однак статична ядерна модель атома, в якій електрони були б нерухомими, фізично беззмістова. Внаслідок дії кулонівських сил притягання електрони відразу ж впали б на ядро. Щоб цього не сталося, електрони повинні рухатися навколо ядра по орбітах, які залежать від їх енергії. Стійкість атома не можна погодити з класичним поясненням ядерної моделі.
Властивості атома
Електрон по коловій орбіті рухається з доцентровим прискоренням a=V2:2, а згідно із законами електродинаміки він повинен випромінювати електромагнітні хвилі. За класичними уявленнями це випромінювання (і пов’язана з ним втрата електроном енергії) має відбуватися безперервно.Тому електрон не зможе триматися на коловій орбіті — він повинен по спіралі наближатись до ядра, й частота його обертання навколо ядра (й частота випромінювання ним електромагнітних хвиль) мусить безперервно змінюватись. Електромагнітне випромінювання атома повинно мати неперервний, а не лінійчастий спектр.
- атом є стійкою системою;
- атом випромінює енергію лише за певних умов;
- випромінювання атома має лінійчатий спектр.
Експериментальне дослідження спектра випромінювання атома водню дало змогу встановити, що довжини хвиль у видимій області описуються співвідношенням:
Ця формула була встановлена Бальмером у 1885 р.
Сподіваємося тема “Модель атома” була вам корисною.