В этой теме речь пойдет о модели строения атома, предложенной Эрнестом
Резерфордом в начале прошлого века, ставшей основой современных представлений об
атоме.
Сначала кратко вспомним историю. К середине XIX века уже стало понятно, что атом
не является неделимой частицей вещества, а имеет сложное строение. Интенсивные
исследования прохождения электрического тока через жидкости и газы во второй
половине XIX века привели к мысли, что внутри атома имеются заряды, хотя в целом
он электрически нейтрален.
Стало ясно, что внутри его структуры положительные и отрицательные заряды
взаимно компенсируются, хотя в то время еще ничего не знали о носителях
электрических зарядов. Только к концу века знаменитый английский физик Джозеф
Джон Томсон после трехлетних исследований катодных лучей пришел к выводу, что
существуют элементарные носители отрицательного электричества, которые он назвал
корпускулами (позже их назвали электронами).
Отсюда следовало, что в состав атома должны входить электроны. С положительными
зарядами оказалось сложнее - их элементарных носителей так и не нашли (позитроны
- это другое).
Вслед за открытием электрона Джозеф Джон Томсон предложил одну из первых
вразумительных моделей атома, правда, основываясь на модели его знаменитого
соотечественника и однофамильца Уильяма Томсона (лорда Кельвина).
Согласно этой модели, атом представляет собой однородную, равномерно заряженную
положительным электричеством сферу, внутри которой "рассыпаны" электроны - как
будто это пудинг с изюмом (поэтому такую модель назвали пудинговой). Получалось,
что вещество состоит из сомкнутых без промежутков атомных сфер, и почти сплошь
заполнено атомной субстанцией, в которую вкраплены электроны. Однако вопрос,
какие силы удерживают вместе эти сферы, остался без ответа.
Пудинговая модель атома продержалась недолго - до знаменитых опытов Эрнеста
Резерфорда с рассеянием альфа-частиц в веществе. Изучая прохождение
альфа-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом, через тонкую металлическую
фольгу, Резерфорд заметил, что некоторые из них, проходя через препятствие,
отклоняются от прямолинейного пути, иногда очень сильно.
Если атом устроен так, как предложил Томсон, то такого быть не могло - все
альфа-частицы проходили бы через вещество одинаково, а если бы и натыкались на
легкий электрон, то вряд ли заметно изменяли свою траекторию. Следовательно,
вещество не заполнено равномерно атомной субстанцией, а состоит из отдельных
массивных участков, между которыми - пустота.
Так Резерфорд пришел к гениальной идее, что атом - это не сплошная сфера, а
основная его часть - массивное ядро, расположенное в центре этой сферы. Именно
поэтому редкие альфа-частицы, натыкаясь на эти ядра, сильно изменяют направление
своего движения в то время, как другие беспрепятственно проходят через пустое
пространство между ними.
Такой вывод напрямую и с очевидностью следовал из его опытов. Однако, стоит
заметить, что все остальное, что он принял в своей модели, из этих опытов никак
не следовало.
Эрнест Резерфорд, как, наверное, и все ученые того времени, считал, что в атомах
могут действовать только электрические силы. Поэтому, отвечая себе на вопрос,
почему положительно заряженные альфа-частицы отталкиваются от ядер атомов, он не
мог не принять, что ядра атомов так же заряжены положительно.
Зная это, нетрудно было подсчитать, на какое расстояние в опыте дожна
приблизится альфа-частица к ядру, чтобы электрические силы отталкивания
полностью погасили ее кинетическую энергию, и отбросили назад. Эта величина и
была принята верхней границей в оценке радиуса ядра. Она оказалась на 4-5
порядков меньше радиуса самого атома.
Отсюда выходило, что если у Томсона вещество сплошь состояло из атомной
субстанции, то у Резерфорда внутренность вещества почти пустая, а вся его
масса сосредоточена в отдельных крупинках ядер, плотность которых оказывалась
колоссальной.
Вопрос с зарядами в таких атомах решался просто - если ядро заряжено
положительно, то вокруг него должны располагаться электроны, вращаясь по
орбитам, наибольший радиус которых и определял размер всего атома. Получилась
планетарная модель - простая и понятная. А те вопросы, которые она поставила,
впоследствии успешно решились трудами Н.Бора, М.Планка, В.Гейзенберга,
Э.Шредингера, В.Паули, Л.де Бройля и многими другими. Все свойства атома были
объяснены развивающейся тогда квантовой механикой.
Теперь оставим в стороне успехи планетарной модели, вернемся к эпохальным опытам
Резерфорда и зададим вопрос - а что, если предположения об электрической природе
отталкивания альфа-частиц ядрами вещества были неверными?
Не следует думать, что это пустая въедливость. Дело в том, что если провести
простой расчет доли альфа-частиц, которые должны отскочить на ту же сторону
фольги, откуда пришли, с теми размерами ядер, какие тогда были приняты, то эта
доля получится почти на 2 порядка меньше, чем наблюдал Резерфорд.
Если не предполагать ничего более экзотического, то из этого может следовать,
что силы, отталкивающие альфа-частицы от ядер атомов, гораздо мощнее
электрических. Но что это могут быть за силы?
У автора, разумеется, есть предположения на этот счет, иначе эта статья не
появилась бы, но сейчас речь о другом - высказывается гипотеза, что силы,
отталкивающие альфа-частицы от ядер атомов в опыте Резерфорда, не
электрической природы, и заряды не имеют к этому никакого отношения. В этом
случае можно не наделять ядра атомов положительным зарядом, а считать их
электрически нейтральными.
При этом наличие электронов в атоме не оспаривается - электроны входят в само
ядро, которое имеет вид того же "пудинга" Томсона, только не такого маленького,
как у Резерфорда, а на 2-3 порядка крупнее. Тогда отпадает необходимость
"гонять" электроны вокруг ядра, а затем решать проблемы, связанные с этим.
Таким образом, по мнению автора, вещество, как и у Резерфорда, состоит из
отдельных ядер, только гораздо крупнее и меньшей плотности, между которыми
находится среда, которая и обеспечивает ему такое строение. При этом понятие
ядра отпадает, а оно становится самим атомом.
Вопросы, что же удерживает атомы на определенном расстоянии друг от друга, и как
объяснить все известные свойства атома в этой модели, здесь рассматривать не
будем, поскольку это отдельная большая тема.
Ваше мнение?
|
! |
Предупреждение за бессодержательные и голословные аргументы. Тема перенесена в «Пургаторий (Ф)»
/ GAA, 24.04.2014 |
, но это в упругом канале рассеяния. А в веществе или молекуле размер "положительных облаков" еще больше - порядка размеров атомов, так что в упругом канале получается "модель пудинга" и в КМ.