Модель строения атома Томсона

По Дж. Томсону(1903), атом состоитиз положительного заряда, равномерно распределённого по всему объёму, и электронов, колеблющихся внутри этого заряда.

Для проверки гипотезы Томсона и более точного определения строения атома английский физик Эрнест Резерфорд провёл серию опытов по рассеянию α-частиц (ядра гелия, в составе которых имеется четыре протона) тонкими металлическими пластинками.

Источник α-излучения помещали в свинцовый кубик с просверлённым в нём каналом, получая поток α-частиц, летящих в определённом направлении. Попадая на экран, покрытый сульфидом цинка ZnS, α-частицы вызывали его свечение, причём через лупу можно увидеть и подсчитать отдельные вспышки, возникающие на экране при попадании на него α-частицы. Между источником излучения и экраном помещали тонкую металлическую (золотую) фольгу. По вспышкам на экране можно было судить о рассеянии α-частиц, т. е. об их отклонении от первоначального направления при прохождении через слой металла.

Оказалось, что большинство α-частиц проходит через фольгу, не изменяя своего направления, хотя толщина металлического (золотого) листа соответствовала сотням тысяч атомных диаметров. Но некоторая доля α-частиц всё же отклонялась на небольшие углы, а изредка α-частицы резко меняли направление движения и даже отбрасывались назад, как бы натолкнувшись на массивное препятствие.

Из результатов опытов следовало, что подавляющая часть пространства атома не содержит тяжёлых частиц (столкновение с электроном практически не может повлиять на направление движения α-частицы). Случаи же резкого отклонения и даже отбрасывания α-частиц означали, что в атоме есть какое-то тяжёлое ядро, в котором сосредоточена преобладающая часть всей массы атома. Ядро атома должно занимать очень маленький объём (поэтому α-частицы редко с ним сталкиваются) и обладать положительным зарядом, который вызывает отталкивание одноимённо заряженных α-частиц.

ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АТОМА РЕЗЕРФОРДА

По Э. Резерфорду (1911), атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена преобладающая часть массы атома, и вращающихся вокруг него электронов.

Положительный заряд ядра нейтрализуется суммарным отрицательным зарядом электронов, поэтому атом в целом электронейтрален. Возникающая вследствие вращения электронов центробежная сила уравновешивается силой электростатического притяжения электронов к противоположно заряженному атомному ядру. Размеры ядра очень малы по сравнению с размерами всего атома: диаметр атома – величина порядка 10^–10 м (100 пм), а диаметр ядра – порядка 10^–15 –10^–14 м (10^–3 – 10^–2 пм).

Чем больше будет положительный заряд атомного ядра, тем сильнее будет отталкиваться от него α-частица, и тем чаще будут встречаться случаи сильных отклонений α-частиц, проходящих через слой металла, от первоначального направления движения. Поэтому опыты по рассеянию α-частиц позволили не только обнаружить существование атомного ядра, но и определить его заряд. Из опытов Э. Резерфорда следовало, что заряд атомного ядра (выраженный в единицах заряда электрона) численно равен порядковому (атомному) номеру химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Подтверждение теории Резерфорда

Английский физик Генри Мозли (1913) установил простую связь между длинами волн определённых линий рентгеновского спектра атомов химических элементов и их порядковыми номерами. То есть, установил закон, согласно которому стало возможным однозначно определять заряд ядра атомов любого химического элемента и тем самым его порядковый номер в периодической системе.

Английский физик Джеймс Чедвик (Чадвик) (1920) определил с большой точностью заряды ядер атомов некоторых химических элементов по рассеянию α-частиц.

Значение теории Резерфорда

Был установлен физический смысл порядкового (атомного) номера химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева: порядковый номер оказался важнейшей константой химического элемента, выражающей положительный заряд ядра его атомов. Из электронейтральности атома следует, что и число вращающихся вокруг ядра электронов равно порядковому номеру химического элемента.

Это открытие дало новое обоснование расположению химических элементов в периодической системе и устранило кажущееся противоречие – расположение некоторых элементов с большей относительной атомной массой впереди элементов с меньшей относительной атомной массой (теллур и иод, аргон и калий, кобальт и никель). Место химического элемента в периодической системе определяется зарядом ядер его атомов. Было экспериментально установлено, что заряд ядер атомов теллура равен 52, а атомов иода – 53; поэтому теллур, несмотря на бóльшую относительную атомную массу, должен находиться в таблице периодической системы до иода. Заряд ядер атомов аргона и калия, никеля и кобальта полностью отвечают последовательности расположения этих элементов в периодической системе.

Таким образом, современная формулировка Периодического закона такова: «Свойства химических элементов (в образуемых ими простых и сложных веществах) находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов».

Определение порядковых номеров химических элементов по заряду ядер их атомов позволило установить общее количество мест в периодической системе элементов между водородом, имеющим порядковый номер 1, и ураном (порядковый номер 92), считавшимся во времена Менделеева последним членом этой системы. Когда создавалась теория строения атома, оставались незанятыми места 43, 61, 72, 75, 85 и 87, что указывало на возможность существования ещё неоткрытых химических элементов. В 1922 г. был открыт элемент гафний (72 место), в 1925 г. – рений (75 место). Элементы, которые должны занять остальные четыре свободных места таблицы периодической системы, оказались радиоактивными и в природе не найдены, однако их удалось получить искусственным путём. В настоящее время все клетки таблицы периодической системы химических элементов между водородом и ураном заполнены, но сама система не является завершённой, хотя уже открыто 26 трансурановых элементов и ожидается открытие элементов, которые будут формировать восьмой период.

4.4 УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА [12].