Планетарна модель

Ернест Резерфорд ― «батько ядерної фізики» ― унікальний вчений у тому плані, що свої головні відкриття він зробив вже після отримання Нобелівської премії. Для експериментального дослідження розподілу позитивного заряду, отже, і маси всередині атома Резерфорд запропонував у 1906 році застосувати зондування атома за допомогою α-частинок. Ці частинки виникають при розпаді Радію і деяких інших елементів. Їхня маса приблизно у 8000 разів більша за масу електрона, а позитивний заряд дорівнює за модулем подвоєному заряду електрона. З цих даних видно, що ці частки є повністю іонізованими атомами Гелія. Швидкість α-частинок дуже велика: вона становить 1/15 швидкості світла. Використовуючи природне джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату ― свинцевий ящик з вузьким прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому α-частинки поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-частинок. Далі на шляху пучка стояло ще кілька свинцевих екранів з вузькими прорізами, що відсікали частинки, які відхилялися від строго заданого напрямку. В результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-частинок, а сама мішень являла собою дуже тонкий лист золотої фольги, в яку і ударяв α-промінь. Після зіткнення з атомами фольги α-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений позаду мішені, на якому при попаданні на нього α-частинок реєструвалися спалахи. За ними експериментатор міг судити, в якій кількості і наскільки α-частинки відхиляються від напрямку прямолінійного руху в результаті зіткнень з атомами Аурума. Резерфорд, ґрунтуючись на моделі Томсона, вважав, що альфа-частинки повинні вільно пролітати через золоту пластинку, був вражений результатами досвіду: окремі альфа-частинки (одна з 8000 – 10000) досить різко відскакували від екрану. Про це сам Резерфорд писав так:«...отримані результати здавалися настільки ж неймовірними, як якби вистрілювали снарядом в цигарковий папір і цей снаряд відбився б назад і потрапив у вас ...» І що ж з цього випливає? А випливає те, що переважна частина простору, який займає атом Аурума, не містить важких частинок, ― там можуть знаходитися тільки електрони (маса електрона майже у 8000 разів менша за масу α-частинки, так що зіткнення з електроном практично не може вплинути на напрямок руху α- частки). Випадки ж різкого відхилення і навіть відкидання α-частинок означають, що в атомі є якесь важке ядро, в якому зосереджена переважна частина всієї маси атома. Це ядро займає дуже маленький об'єм ― саме тому α-частинки так рідко з ним стикаються ― і повинно мати позитивний заряд, який і викликає відштовхування однойменно заряджених α-частинок! Згідно запропонованої моделі Резерфорда (1911 рік):

1. У центрі атома знаходиться дуже мале за розмірами позитивно заряджене ядро, в якому практично зосереджена вся маса.

2. Електрони хаотично рухаються навколо ядра подібно до планет у полі тяжіння Сонця.

3. Число електронів є таким, що в цілому атом є електронейтральним.

   Дана модель будови атома отримала назву «планетарної моделі Резерфорда». Вона виявилася дуже наочною і корисною для пояснення багатьох експериментальних даних. Але ця модель відразу ж виявила і свої недоліки, задавши тим самим фізикам і хімікам ще більше запитань, ніж було раніше ..

   Зокрема, електрон, рухаючись навколо ядра з прискоренням (на нього діє доцентрова сила), мав би, згідно електромагнітної теорії, безупинно випромінювати енергію. Це призвело б до порушення рівноваги між електроном і ядром. Електрон, поступово втрачаючи свою енергію, мав би рухатися навколо ядра по спіралі і врешті-решт неминуче впасти на нього.

Звідси питання: Чому при русі зарядженого електрона близько зарядженого ядра не виділяється енергія? Чому електрони не падають на ядро? Яким чином фізичні тіла, що складаються з атомів, при нагріванні випускають світло? Ніяких доказів того, що атоми безперервно зникають, не було (всі явища, які можна спостерігати, говорять якраз про протилежне), отже, модель Резерфорда у чомусь помилкова… Ці питання частково прояснилися тільки після того, як у 1913 році датський фізик Нільс Бор удоско-налив модель атома Резерфорда з тією відмінністю, що електрони розташовувалися навколо ядра на суворо визначених, сталих орбітах. Ця модель ще більше нагадує будову Сонячної системи, де електрони обертаються навколо ядра так само, як планети навколо Сонця ― звідси назва «планетарна» або «ядерна». Коли речовину нагрівають, електрони поглинають енергію і переходять на більш віддалені від ядра сталі орбіти, а потім повертаються на колишнє місце, виділяючи енергію строго відміряними «порціями» (у вигляді світла). Така «порція» енергії (її називають квантом світла), точно дорівнює різниці між енергіями електрона на більш високій і менш високій орбітах. Вивчаючи світло, яке випускається нагрітими тілами, можна з'ясувати, скільки сталих електронних орбіт існує в атомі і навіть встановити складний внутрішній устрій цих орбіт. Сьогодні ми розуміємо: модель, що запропонована Резерфордом-Бором, в чомусь невірна і навіть наївна, проте основні риси цієї моделі ― наявність в атомі позитивного важкого ядра, оточеного електронами, ― витримали випробування часом, а вже на початку ХХ століття ― стала великим кроком у пізнанні будови атома!