3. Строение атома (атома Резерфорда)
На основании результатов по рассеянию - частиц тонкими металлическими фольгами и следствий, к которым привели эти опыты, Резерфордом была предложена ядерная модель атома.
Согласно
этой модели, вокруг положительного
ядра, имеющего заряд Zq
(Z
― порядковый номер элемента в системе
Менделеева; q
―
элементарный заряд), размер
и массу, практически равную массе атома,
в области с линейными размерами порядка
см по круговым (или эллиптическим)
орбитам под действием сил электростатического
притяжения движутся электроны. Заряд
ядра равен суммарному заряду электронов,
так как атомы нейтральны.
Рисунок 3. Атом Резерфорда
Ядерная модель атомов Резерфорда внешне очень напоминает Солнечную систему: в центре системы находится «солнце»- ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты»- электроны. Поэтому данную модель часто называют планетарной.
Орбиты электронов в атоме стационарны; атому свойственна исключительная устойчивость, о чём, в частности свидетельствуют оптические линейные спектры атомов, отличающиеся определённым для всех атомов данного элемента расположением линий. Однако устойчивость атома не согласуется с классическим истолкованием ядерной модели.
Рассмотрим
в качестве примера ядерную модель
простейшего атома- атома водорода,
содержащего один электрон и ядро ―
протон. Для описания электродинамики
воспользуемся классическими
представлениями. Предположим ради
простоты, что электрон движется вокруг
протона по круговой орбите. Скорость
электрона по круговой орбите с радиусом
имеет порядка v=
,
а центростремительное ускорение а
=
порядка
.Такой
ускоренно движущийся электрон ведёт
себя как вибратор, колеблющийся с большой
частотой; он излучает электромагнитные
волны.
Согласно классическим представлениям, это излучение (и связанная с ним потеря электроном энергии) происходит непрерывно (так как величины v и r изменяются непрерывно). Поэтому электрон не удерживается на круговой орбите ― он по спирали приближается к ядру, и частота его обращения вокруг ядра (а следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) непрерывно изменяется. Другими словами, электромагнитное излучение атома имеет непрерывный, а не линейчатый (дискретный ) спектр.
Таким образом, применение классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полнейшему противоречию с экспериментальными фактами.
Согласно классической теории, должны иметь место:
а) непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и неустойчивость атома;
б) существование только непрерывного спектра; спектральных линий не должно быть.
В действительности оказывается что:
а) атом является устойчивой системой;
б) атом излучает энергию только при определённых условиях;
в) излучение атома имеет линейчатый спектр, связанный со строением и свойствами его электронной оболочки.
Эти выводы относятся не только к атому водорода, но и к другим атомам.