8.1.2. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома

Один из способов изучения атомного строения вещества – зондирование с помощью быстролетящих заряженных частиц. В 1906 г. Резерфорд поместил в свинцовом контейнере 1 радиоактивный (п.8.4) материал 2 (радий, полоний и др.), в результате распада которого появлялись -частицы (полностью ионизированные атомы гелия ), обладающие большой скоростью ( с), кинетической энергией, положительным зарядом, в 2 раза превышающим заряд электрона, и массой, почти в 8000 раз превосходящей массу электрона. -частицы двигались по узкому каналу 3; пролетали сквозь тончайшую металлическую фольгу 4 и попадали на экран 5, покрытый материалом, дающим при попадании -частиц сцинтилляции. Без фольги 4 на экране была видна светящаяся точка, с фольгой – точка расширялась, по её размеру учёные определяли углы  отклонения -частиц и могли (с помощью специальных методов) оценивать распределение положительного заряда в малых областях фольги.

Поместив экран перед фольгой Резерфорд обнаружил отклонение некоторых -частиц на  > 90 и даже отброс их назад. Расчёты показали, что кулоновские силы от заряда, сосредоточенного в области радиусом 10^–9–10^–10 м (радиус атома), не могли отбросить назад такие тяжёлые и быстрые частицы. Объяснение могло быть только одно: положительный заряд атома сосредоточен в гораздо меньшей области, радиус которой по расчётам составлял 10^–14–10^–15 м.

Анализируя результаты опытов, Резерфорд предложил планетарную модель атома: в центре расположено ядро, где сконцентрирован весь положительный заряд, причём величина заряда в относительных единицах (равных заряду электрона) равна номеру атома в периодической системе. Вокруг ядра по концентрическим орбитам обращаются электроны. В нейтральном атоме сумма положительного заряда ядра и отрицательного заряда электронов равна нулю.

Модель Резерфорда объясняла результаты опытов лучше модели Томсона, однако, и она имела слабое место: электроны, обращаясь с ускорением вокруг ядра, должны были (согласно теории Максвелла) излучать ЭМВ (частота ЭМВ равна частоте их обращения), непрерывно теряя энергию (с уменьшением радиуса орбиты), и примерно через 10^–8 с упасть на ядро, что противоречило действительности.

8.2. Излучение атома водорода

Изучение спектров излучения показало, что:

1) спектры разных химических элементов различны;

2) спектры разных химических элементов имеют общие закономерности (одна из них – спектральные линии всех элементов можно разбить на ряд серий);

3) расположение спектральных линий в сериях подчиняется эмпирически установленным законам.

Простейший атом – атом водорода – имеет набор составляющих видимой части спектра, изображённый на рисунке:

В 1885 году Иоганн Бальмер (1825–1893, Швейцария) нашёл закономерность в расположении спектральных линий водорода и показал, что длины волн , соответствующие видимой части спектра, можно определить по формуле (*), где m  N и m > 2 (m = 3, 4, 5, ...); R = 1,0910⁷ м^–1 – постоянная Ридберга.

Все линии, определяемые (*), составляют серию Бальмера.

• Позднее были найдены и другие серии, и формула приняла вид: (**), где m  N, n  N, m > n

Опыты показали, что (**) даёт  всех обнаруженных линий в спектре атомарного водорода.

При n = 1 линии лежат в ультрафиолетовой области спектра и составляют серию Лаймана (названа в честь Теодора Лаймана (1874–1954, США), при n = 3 – в инфракрасной и составляют серию Пашена (названа в честь Фридриха Пашена (1865–1947, Германия).

Подобные закономерности расположения спектральных линий были найдены и для других атомов.

Однако, атомная модель Резерфорда не позволяла объяснить в рамках классической физики ни эти закономерности, ни само существование спектральных линий – строго определённых длин волн излучения и поглощения атомов.