После открытия электрона Томсоном, возглавлявшим Кавендишскую лабораторию, им же была предложена первая модель атома. Томсон понимал, что за все электрические явления, особенно в металлах, теперь отвечают электроны. Друде и Лоренц в 1900 г., используя понятие «электронный газ», который наполняет металлический проводник, используя МКТ (молекулярно – кинетическую теорию), теоретически вывели закон Ома, который был практически получен в 1827 году. И тогда Томсон представил себе атом, как положительно заряженный шар, диаметром в одну стомиллионную долю сантиметра, в котором равномерно распределены электроны. Модель назвали «пудинг с изюмом». «Изюминки» воспринимались, как электроны, которые можно «выковырять» из пудинга. Число электронов в атоме и положительный заряд равны, поэтому атом – нейтральный. Если же два электрона покинут атом (трением или облучением), то в атоме образуются два пустых места, которые проявляют себя, как два положительных заряда. |
Томсон понимал, что модель атома не совершенна, но умнее пока ничего придумать не мог. Почти 10 лет просуществовала эта модель, пока на пороге Кавендишской лаборатории не появился Эрнест Резерфорд. |
Кавендишская лаборатория была создана на средства Кавендиша, который вычислил гравитационную постоянную в законе всемирного тяготения. Родственников у него не было, и все свои сбережения он завещал на построение лучшей лаборатории в мире, где будут работать лучшие ученые, открывая для людей всей планеты законы природы, приносящие пользу всему человечеству. Выделялись деньги и для тех победителей конкурсов и олимпиад, которые не имеют средств, приехать в лабораторию. |
Одним из таких любознательных, стремящихся к знаниям, был Эрнест Резерфорд, живущий в Австралии. |
Прибыв в Кэвендишскую лабораторию, Резерфорд окунается в творческую работу всей лаборатории, восхищаясь великолепными приборами, лучшими во всем мире. Да, ученики всегда благоговеют перед своими учителями. Резерфорд восхищался работами Томсона, проникся тревогами и сомнениями учителя о несовершенстве модели атома. И решил помочь развеять эти сомнения. |
Он придумывает опыт, проведя который, сможет помочь учителю развеять сомнения. Прокатав золотую фольгу до возможно тонкой толщины, он решил облучить альфа – частицами. |
Открытая Беккерелем радиоактивность была изучена Марией Склодовской – Кюри и ее мужем Пьером Кюри, а затем и сам Резерфорд работал в этой лаборатории и знал, что в магнитном и электрическом полях излучение распадается на три компоненты: альфа - лучи, бета – лучи и гамма - лучи. В своем опыте Резерфорд выбрал для бомбардировки золотой фольги лучшие снаряды – альфа – лучи (как позже выяснилось - это были ядра атома гелия). |
Рассмотрим схему опыта Резерфорда. Идея опыта заключалась в следующем. Если представить, что в тонком слое золотой фольги тысячи (или десятки тысяч) слоев атомов, то альфа – частицы при ударах будут в основном отскакивать на какой-нибудь малый угол, застревать, и может быть, несколько самых быстрых, проскочат насквозь. За золотой фольгой располагался круговой экран, на который нанесен слой сернистого цинка (который при попадании на него невидимых частиц – дает маленькую вспышку). Сотрудники были распределены по секторам (может быть в 5 или 10 градусов) и считали число вспышек за все время опыта. |
Можно условно представить для себя идею опыта: поставить 10 рядов хлебных булок, в которых есть изюминки. |
Теперь начинаем стрелять из пневматической винтовки. Если пулька пробьет первый или второй ряд, то застрянет в третьем. Ожидать, что пулька пробьет все 10 рядов, наверное, не серьезно. Может быть несколько отклонится, если ударять в плотности (может вместо изюминок – камушки попались). Но чтобы много пулек отскочило назад- ожидать не приходится. |
Результаты опыта обескуражили не только сотрудников Томсона, но и самого Резерфорда: почти все альфа – частицы пролетели насквозь, почти не замечая золотой фольги. (Как будто это были не сплошные ряды плотных булок, а дырявые рыболовные сети!) Некоторая часть – отклонилась на различные углы и очень небольшая часть отскочила назад (на 180 градусов!). |
Одно сразу стало понятно: атом – не сплошной положительный шар, а пустой шар, который не препятствует движению альфа – частиц. |
Пытаясь помочь учителю в подтверждении модели атома, Резерфорд своим опытом доказал, что модель не подтвердилась и нужна новая модель атома. |
Неделями обдумывая результат опыта, Резерфорд, наконец, воскликнул: «Теперь я знаю, как ВЫГЛЯДИТ атом!». Именно – «выглядит». Он не сказал: «Я вижу атом!». Атом увидеть нельзя ни в один микроскоп: в силу физических свойств зрения. Стомиллионную долю сантиметра (размер атома) назвали в то время – «Ангстрем». Видимый свет имеет длину волны от 4000 А (фиолетовый цвет) до 8000 А (красный цвет). Увидеть атом – это значит - осветить его видимым светом- волнами от 4000А до 8000 А и получить отражение (или «тень») от атома размером в 1 А(?). Неумолимое явление дифракции (огибание малых тел, соизмеримых с длиной волны), не позволяет «увидеть» атом. Точно так же мы не видим молекулы кислорода и азота (составные части воздуха), потому что они не могут отразить свет и не дают тени (иногда мы видим в лучах света пылинки в комнате, отражающие лучи света, но это не молекулы воздуха). |
Атом «выглядит» так, как «выглядит» Солнечная система: в центре – положительное ядро (как Солнце) (размерами еще в сто тысяч раз меньше, чем атом), а около ядра (как планеты около Солнца) вращаются отрицательные электроны. Заряд положительного ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и равен отрицательному заряду всех электронов, вращающихся около ядра. Атом – нейтрален. Такая модель атома Резерфорда получила название – «планетарная модель атома». Удобно рассмотреть модель атома водорода. В центре - положительное ядро, около ядра по орбите вращается один электрон. Теперь – модель атома гелия: в центре – положительное ядро из двух протонов и двух нейтронов, а около ядра по орбите вращаются два электрона. |