2. Моделі атома Томсона і Резерфорда.

Гіпотеза про те, що всі речовини складаються з атомів, була висунута 2000 років тому (Демокритом у Греції, Лукрецієм в Римі, Канадою в Індії), причому атоми розглядалися як неподільні найдрібніші частинки речовини.

До початку XVIII століття атомна теорія набуває все більшу популярність, оскільки з її допомогою вдається пояснити багато незрозумілих до того часу властивостей речовини. Наприклад, М.В.Ломоносов показав, що теплові явища, а також здатність газів заповнювати наданий йому об'єм, обумовлені рухом атомів.

Велику роль у розвитку атомної теорії зіграв Д. І. Менделєєв, який розробив періодичну систему елементів, в якій вперше було поставлено питання про єдину природу атомів.

У другій половині XIX століття експериментально доводиться, що атоми мають складну будову, а саме, електрони є складовою частиною атома.

Конкретні уявлення про будову атомів розвивалися в міру накопичення фізикою нових фактів про будову речовини.

У 1902 р. Томсоном була запропонована модель (вона панувала до 1911 р.), згідно з якою позитивно заряджені частинки атома являють собою рівномірно наелектризовану кулю, розміри якої (~ 10^-8 см) визначають розміри атома. Електрони, розміри яких малі порівняно з розмірами атома, занурені в цю кулю і можуть коливатися біля своїх положень рівноваги. Число електронів таке, що в нейтральному атомі їх негативний заряд компенсує позитивний заряд кулі. Проте модель Томсона не могла пояснити закономірності в спектрах атомів, а також таблицю Менделєєва періодичності властивостей атомів.

Велику роль у розвитку уявлень про будову атома зіграли досліди Резерфорда (1908 - 1910 рр.) з розсіювання α-частинок в речовині. α-частинки, що виникають при радіоактивних перетвореннях, представляють собою двічі іонізовані атоми гелію. Це випромінювання в дослідах було обрано тому, що α-частинки мають високу монохроматичність (для одного перетворення мають практично одну і ту ж швидкість) і велику масу (маса α-частинки в 7296 разів більше маси електрона).

Досліди Резерфорда показали, що при проходженні швидких α-частинок в речовині більша їх частина зазнає незначні відхилення (~ 2-3°), але деякі α-частинки значно відхиляються від первісного напрямку (кут відхилення сягає близько 180°). Зважаючи на велику масу α-частинок вони не можуть відхилятися при зіткненні з електронами, що містяться в атомах, а тому за їх розподілу в речовині можна судити про розподіл позитивного заряду в атомі, маса якого практично збігається з масою всього атома. Дійсно, проаналізувавши результати дослідів, Резерфорд прийшов до висновку, що таке значне відхилення α-частинок відбувається внаслідок одноразової взаємодії α-частинок з позитивним зарядом, пов'язаних з великою масою, і що важливо, укладеної в обсязі, дуже малому в порівнянні з обсягом атома.

На підставі цих досліджень Резерфорд (1911 р.) висунув "ядерну" модель атома. Атом складається з позитивно зарядженого ядра розміром ~ 10^-13 см, маса якого майже дорівнює масі атома. Навколо ядра під дією електричних сил по замкнутих орбітах рухаються електрони, створюючи так звану електронну оболонку атома.

Ця модель добре пояснювала досліди з розсіювання α-частинок речовини і дозволила визначити заряд ядра. Було визначено, що заряд ядра q дорівнює порядковому номеру Z елемента в системі Менделєєва, помноженого на елементарний заряд е:

(3.2.1)

Для електрона, що рухається по певній орбіті навколо ядра, так само як і для планети, що обертається навколо Сонця, має місце другий закон Ньютона: добуток маси на доцентрове прискорення дорівнює силі кулонівського притягання. Тобто:

(3.2.2)

де r – радіус орбіти, v – швидкість руху електрона по цій орбіті, е₀ – електрична стала.

Однак ядерна модель атома не була задовільною з багатьох точок зору. Рівняння (3.2.2) містить дві невідомі величини - радіус орбіти r і швидкість руху v електрона по орбіті. Отже, існує незліченна безліч значень радіуса і відповідних йому значень швидкості (а значить і енергії), що задовольняють дане рівняння. Таким чином, величини v, r і Е можуть змінюватися безперервно і при переході з однієї орбіти на іншу, ближчу до ядра, може виділятися будь-яка невизначена порція енергії, тобто спектри атомів повинні бути суцільними. У дійсності ж, як показують дослідження спектрів розріджених газів (спектрів випромінювання атомів), кожному спектру притаманний певний лінійчатий спектр.

Модель Резерфорда виявилася також нестійкою з точки зору класичної електродинаміки. З виразу (3.2.2) можна підрахувати, що при радіусі орбіти r ≅ 10^-10 м швидкість руху електрона виявляється рівною ~ 10⁶ м / сек. Отже, доцентрове прискорення а = v₂ / r ≈ 10²² м/сек². Однак за таких величезних прискорень електрони мають інтенсивно випромінювати електромагнітні хвилі. Їх енергія буде швидко зменшуватися, внаслідок чого вони повинні безперервно наближатися до ядра. Таким чином, атом Резерфорда виявляється нестійким, час його життя складає лише незначні частки секунди.

Спроби побудувати модель атома в рамках класичної фізики з електронно заряджених частинок не привели до успіху: модель Томсона була спростована дослідами Резерфорда, ядерна ж модель виявилася нестійкою і суперечила низці дослідних даних. Подолання труднощів, що виникли, змусило надалі відмовитись від традиційних для класичної фізики методів.