Почему модель резерфорда называется планетарной

Планетарная модель атома

Физик Михаил Высоцкий об открытии ядра атома, модели атома Бора и принципе неопределенности Гейзенберга

Планетарная модель атома

До Резерфорда существовала другая модель атома ― модель вещества Томпсона. В ней не было ядра, она представляла собой положительно заряженный «кекс», наполненный «изюминками» — электронами, которые в нем свободно вращались. Кстати, именно Томпсон и открыл электроны. В современной школе, когда начинают знакомиться с квантовой механикой, всегда начинают с этой модели.

Квантовая модель, которая сегодня описывает структуру атома, конечно, отличается от той, которую придумал Резерфорд. В движении планет вокруг Солнца нет квантовой механики, а в движении электрона вокруг ядра она есть. Однако понятие орбиты до сих пор осталось в теории строения атома. Но после того, как стало известно, что орбиты квантуются, то есть между ними нет непрерывного перехода, как думал Резерфорд, называть такую модель планетарной стало некорректно. Резерфорд сделал первый шаг в правильном направлении, и развитие теории строения атома пошло по тому пути, который он наметил.

Чем это интересно для науки? Эксперимент Резерфорда открыл ядра. Но все, что мы о них знаем, мы узнали после. Его теория развивалась в течение многих десятилетий, и в ней кроются ответы на фундаментальные вопросы о строении материи.

В модели Резерфорда быстро обнаружили парадоксы, а именно: если заряженный электрон вращается вокруг ядра, то он должен излучать энергию. Мы знаем, что тело, которое движется по кругу с постоянной скоростью, все равно ускоряется, потому что вектор скорости все время поворачивает. А если заряженная частица движется с ускорением, она должна излучать энергию. Это значит, что она должна практически мгновенно потерять ее всю и упасть на ядро. Поэтому классическая модель атома не до конца согласуется сама с собой.

Тогда стали появляться физические теории, которые пытались преодолеть это противоречие. Важное дополнение в модель строения атома внес Нильс Бор. Он обнаружил, что вокруг атома существует несколько квантовых орбит, по которым перемещается электрон. Он предположил, что электрон излучает энергию не все время, а только перемещаясь с одной орбиты на другую.

Читать еще: Какие достопримечательности в амстердаме

А вслед за боровской моделью атома появился принцип неопределенности Гейзенберга, который наконец объяснял, почему падение электрона на ядро невозможно. Гейзенберг обнаружил, что в возбужденном атоме электрон находится на дальних орбитах, а в момент, когда он излучает фотон, он падает на основную орбиту, потеряв свою энергию. Атом же переходит в устойчивое состояние, при котором электрон будет вращаться вокруг ядра до тех пор, пока его ничто не возбуждает снаружи. Это стабильное состояние, дальше которого электрон падать не будет.

Благодаря тому, что основное состояние атома — это устойчивое состояние, материя существует, мы все существуем. Без квантовой механики у нас вообще не было бы устойчивой материи. В этом смысле основной вопрос, который неспециалист может задать квантовой механике, — это почему все вообще не падает? Почему все вещество не собирается в точку? И квантовая механика способна ответить на этот вопрос.

Зачем это знать? В некотором смысле эксперимент Резерфорда повторился снова при открытии кварков. Резерфорд открыл, что положительные заряды — протоны — сосредоточены в ядрах. А что внутри протонов? Теперь мы знаем, что внутри протонов находятся кварки. Мы узнали это, проведя аналогичный эксперимент по глубокому неупругому рассеянию электронов на протонах в 1967 году в SLAC (Национальной ускорительной лаборатории, США).

Этот эксперимент проводился по тому же принципу, что и эксперимент Резерфорда. Тогда падали альфа-частицы, а здесь электроны падали на протоны. В результате столкновения протоны могут оставаться протонами, а могут возбудиться из-за большой энергии, и тогда при рассеянии протонов могут рождаться другие частицы, например пи-мезоны. Выяснилось, что это сечение ведет себя так, как будто внутри протонов есть точечные составляющие. Сейчас мы знаем, что эти точечные составляющие — кварки. В каком-то смысле это был опыт Резерфорда, но уже на следующем уровне. С 1967 года мы уже имеем кварковую модель. Но что будет дальше, мы не знаем. Теперь нужно что-то рассеивать на кварках и смотреть, на что они развалятся. Но это следующий шаг, пока это сделать не удается.

Планетарная модель атома.

Планетарная модель атома, или модель Резерфорда — это историческая модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом как результат эксперимента с рассеиванием альфа-частиц.

Читать еще: Как умер Виталий Чуркин

Для вычисления распределения «+» заряда в атоме, английский ученый Э. Резерфорд провел исследование рассеяния α-частиц фольгой из разных веществ. Большинство α-частиц беспрепятственно, практически не отклоняясь, проходило сквозь фольгу, и лишь 1 из 2000 частиц отклонялась на углы, большие 90°. Результатом этих экспериментов в 1911 г. стало предложение Резерфордом следующей модели строения атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг него обращаются электроны, каждый по своей орбите, как планеты Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца. Именно поэтому модель назвали планетарной.

Расстояние от электронов до ядра весьма большое (в сравнении с размером ядра). Оценки Резерфорда дали понять, что диаметр ядра равняется примерно 10 – 12 —10 – 13 см. Размер самого атома составляет 10 -8 см.

Положительный заряд ядра q_ядра связан с числом электронов Z в атоме при помощи соотношения:

где е — заряд электрона .

Заряд ядра и число электронов в атоме, соответственно, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.

В целом атом является электронейтральным. Электрон, отрываясь или присоединяясь к атому (как результат столкновения, например, либо при разных химических процессах) может образовывать положительно либо отрицательно заряженные ионы.

Простая и наглядная модель атома Резерфорда отлично объясняла результаты этих опытов. Но основываясь на этой модели строения атома нельзя объяснить факт существования атома и его устойчивость.

Исходя из законов электродинамики Максвелла, электрон, который двигается по орбите с большим ускорением, должен испускать электромагнитные волны с частотой, которая была бы равна частоте его обращения вокруг ядра, в результате этого в ближайшее время, лишившись в результате излучения всей энергии, он упал бы на ядро. Исходя из расчетов, которые основаны на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, это время составляет лишь 10 -8 секунды. На самом деле этого не случается. Нейтральные невозбужденные атомы существуют бесконечно долго.

Это несоответствие опыта выводам теории связано с попыткой применения законов классической физики к внутриатомным явлениям (которые, как выяснилось, подчиняются законам квантовой механики).

Выход из образовавшейся в теории атома ситуации нашел датский физик Нильсом Бором.

Читать еще: Можно ли выявить ДЦП во время беременности

Почему модель резерфорда называется планетарной

Раздел ОГЭ по физике: 4.2. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома.

Первую модель строения атома предложил Джозеф Джон Томсон, после того как он открыл электрон — частицу с наименьшим электрическим зарядом. Он представлял атом в виде шара из положительно заряженного вещества, в который вкраплены электроны. При этом положительный заряд шара равен суммарному заряду электронов. Модель атома Томсона называют «пудингом с изюмом». Используя эту модель, можно было объяснить электрическую проводимость веществ, явление электризации тел и др.

Проводя опыты по изучению строения вещества, Резерфорд показал несостоятельность модели Томсона. Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу α-частицами, имеющими большую энергию. В соответствии с моделью Томсона а-частицы должны были отражаться от атома. Однако очень небольшое число частиц рассеивалось на углы от 90° до 180°. Большинство частиц проходило через фольгу, отклоняясь от направления движения на незначительные углы.

В результате экспериментов Резерфорд предложил новую модель строения атома, названную планетарной моделью. Он сделал следующие выводы:

в атоме существует положительно заряженная частица, названная ядром атома, которая отталкивает α-частицы;
размеры ядра малы по сравнению с размерами атома, поскольку отталкивается очень небольшое число α-частиц, а большинство α-частиц свободно проходит через фольгу; ядро имеет диаметр порядка 10 –14 — 10 –15 м.
масса ядра сравнима с массой β-частицы, поскольку масса электронов в 8000 раз меньше массы а-частицы и электроны не смогли бы изменить направление её движения.

Таким образом, в соответствии с моделью атома Резерфорда в центре атома расположено положительное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Поскольку масса электронов мала, то масса атома в основном сосредоточена в ядре.

Так как атом в целом нейтрален, то положительный заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов. Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру Z элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Заряд атомного ядра q_R равен произведению Z и заряда электрона е: q_R= Z • е.