Планетарна модель атома
Перші моделі будови атома з'являються на початку XX століття. Жан Перрен у 1901 р. висловив припущення про ядерно-планетарний устрій атома. Подібну модель запропонував у 1904 р. японський фізик Хантаро Нагаока. У моделі Нагаокі атом уподібнювався до планети Сатурн; роль планети виконувала позитивно заряджена куля, що є основною частиною об'єму атома, а електрони розташовувалися подібно до супутників Сатурна, що утворюють його кільця. Однак найбільшого поширення набула т.зв. Кексова модель атома: в 1902 р. Вільям Томсон (лорд Кельвін) висловив припущення про те, що атом є потік позитивно зарядженої матерії, всередині якого рівномірно розподілені електрони. Найпростіший атом - атом водню - був, на думку У. Томсона, позитивно заряджена куля, в центрі якої знаходиться електрон. Детально цю модель розробив Дж. Дж. Томсон, який вважав, що електрони всередині позитивно зарядженої кулі розташовані в одній площині і утворюють концентричні кільця. Дж. Дж. Томсон запропонував спосіб визначення числа електронів в атомі, заснований на розсіюванні рентгенівських променів, заснований на припущенні, що саме електрони повинні бути центрами розсіювання. Проведені експерименти показали, що кількість електронів в атомах елементів дорівнює приблизно половині величини атомної маси. Дж. Дж. Томсон, припустивши, що кількість електронів в атомі безперервно зростає при переході від елемента до елемента, вперше спробував пов'язати будову атомів з періодичністю властивостей елементів
Німецький фізик Філіп фон Ленард спробував створити модель, яка не передбачає роздільного існування в атомі протилежних зарядів. Атом, згідно з моделлю Ленарда, складається з нейтральнихчастинок (т.зв. динамід), кожна з яких є електричним дуплетом. Виконані Ленардом розрахунки показали, що ці частинки повинні мати вкрай малі розміри, і, отже, більшість обсягу атома є порожнечу. Зосередження маси атома в невеликій частині його обсягу частково підтверджувалося і проведеними Ленардом в 1903 досвідами, в яких пучок швидких електронів легко проходив через тонку металеву фольгу.
Всі згадані моделі – Томсона-Томсона, Перрена-Нагаокі та Ленарда були суто гіпотетичними та виключно якісними. У 1906-1909 pp. Ганс Гейгер, Ернст Марсден та Ернест Резерфорд, намагаючись знайти експериментальні підтвердження моделі Томсона, провели свої знамениті досліди з розсіювання α-часток на золотій фользі. Вони використовували -частки замість електронів, т.к. завдяки своїй більшій масі (у 7350 разів більше маси електрона) α-частки не зазнають помітного відхилення при зіткненні з електронами, що дозволяє реєструвати лише зіткнення з позитивною частиною атома. Як джерело α-частинок ними був взятий радій, а частинки, що зазнавали розсіювання в тонкій золотій фользі, реєструвалися по сцинтиляційних спалахів на екрані з сульфіду цинку, що знаходиться в затемненій кімнаті.
Результат дослідів виявився цілком протилежним очікуваному. Більшість α-часток проходила через золоту фольгу по прямих або майже прямих траєкторіях, але в той же час деякі α-частинки відхилялися на дуже великі кути, що свідчило про наявність в атомі надзвичайно щільного позитивно зарядженого утворення. Грунтуючись на цих експериментальних фактах, Резерфорд в 1911 р. запропонував свою ядерну модель атома: в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, обсяг якого мізерно малийпорівняння з розмірами атома; навколо ядра обертаються електрони, число яких приблизно дорівнює половині атомної маси елемента. Модель атома Резерфорда при безперечних перевагах містила важливе протиріччя: відповідно до законів класичної електродинаміки електрон, що обертається навколо ядра, повинен був безперервно випускати електромагнітне випромінювання, втрачаючи енергію. Внаслідок цього радіус орбіти електрона повинен був швидко зменшуватися, і розрахований з цих уявлень час життя атома виявлявся мізерно малим.
С. І. ЛЕВЧЕНКОВ КОРОТКИЙ НАЧОР ІСТОРІЇ ХІМІЇ
Навчальний посібник для студентів хімфаку РГУ
У 1911 р. Дж.Резерфорд виходячи з аналізу результатів експерименту з розсіяння альфа-частинок на атомах висунув планетарну модель будови атома. Відповідно до цієї моделі атом складається з важкого позитивно зарядженого ядра дуже малих розмірів (
10 14 м), навколо якого по деяких орбіт рухаються електрони. Радіуси цих орбіт становлять близько 10 -9 м. Назва "планетарна" у такої моделі атома відображає очевидну аналогію із Сонячною системою, в якій планети рухаються по певних орбітах навколо масивного центру, що притягує, - Сонця.
Проте, на відміну планетарної моделі Сонячної системи, планетарна модель атома виявляється суперечливою з погляду класичної фізики. І це, перш за все, пов'язане з наявністю електрона заряду.
Відповідно до законів класичної електродинаміки електрон, що обертається навколо ядра, як і будь-яка заряджена частка, що прискорено рухається, буде випромінювати електромагнітні хвилі. Спектр такого випромінювання має бути безперервним, тобто містити електромагнітні хвилі з будь-якою довжиною хвилі. Цей висновок суперечить лінійним спектрам випромінювання, що спостерігаються в експериментах.атомів.
Крім того, безперервне випромінювання зменшуватиме енергію електрона. Тому радіус орбіти електрона, що рухається, повинен зменшуватися, і, нарешті, електрон повинен впасти на ядро. Інакше кажучи, планетарна модель атома з погляду класичної фізики виявляється нестійкою.
"Фізика у технічному університеті"
У рамках вирішення питання природи хімічного зв'язку нами було доведено, що молекули є стійкою системою, а електрони, що їх пов'язують, рухаються з доцентровим прискоренням і при цьому енергія електронів (як потенційна, так і кінетична) не змінюється.
Цей експериментальний факт підтверджує вкотре, що теорії засновані на хибній моделі не можуть бути коректними.