Ще за часів Давньої Греції філософи здогадувалися про внутрішню будову речовини. А перші моделі будови атомів з'явилися вже на початку XX століття. Гіпотеза Дж. Томсона не була сприйнята науковим співтовариством того часу критично – адже до неї вже були висунуті різні теорії про те, що ж знаходиться усередині найдрібніших частинок матерії.

«Пудинг з родзинками», або модель Томсона

Аж до XIX століття вчені припускали, що атом є неподільним. Проте все змінилося після того, як Джозеф Томсон у 1897 році відкрив електрон – стало зрозуміло, що вчені помилялися. Обидві моделі атома Томсона і Резерфорда були висунуті на початку минулого століття. Першою з'явилася модель У. Томсона, який висловлював припущення про те, що атом є згустком матерії, яка має позитивний електричний заряд. Всередині цього згустку знаходяться рівномірно розподілені електрони – саме тому дана модель була названа «кексовой». Адже згідно їй електрони в матерії розташовуються подібно цікавинок в кексі. Інше неофіційну назву моделі – «Пудинг з родзинками».

Заслуги Дж. Томсона

Дана модель була розроблена ще більш детально Дж. Дж. Томсоном. На відміну від У. Томсона, він припускав, що електрони в атомі розташовуються строго на одній площині, що представляють собою концентричні кільця. Незважаючи на однакову важливість моделей атома Томсона і Резерфорда для науки того часу, варто зазначити, що Дж. Томсоном, крім усього іншого, вперше був запропонований спосіб визначення кількості електронів усередині атома. Його метод був заснований на розсіяння рентгенівських променів. Дж. Томсон припустив, що саме електрони є тими частинками, які повинні бути в центрі розсіювання променів. Крім того, саме Томсон був тим вченим, який відкрив електрони. У сучасних школах саме з вивчення його відкриттів починається вивчення курсу квантової механіки.

Мінуси теорії Томсона

Однак порівняно з моделлю Резерфорда, модель атома Томсона мала один суттєвий недолік. Вона не могла пояснити дискретний характер випромінювання атома. Не можна було з її допомогою і сказати що-небудь про причини стійкості атома. Остаточно вона була спростована, коли були зроблені знамениті досліди Резерфорда. Модель атома Томсона при цьому мала не меншу цінність для науки того часу, ніж інші гіпотези. Необхідно враховувати, що всі ці моделі, що були на той момент, були суто гіпотетичними.

Особливості досліду Резерфорда

У 1906-1909 роках Р. Гейгером, Е. і Мардсеном Е. Резерфордом були проведені досліди, в ході яких альфа-частинки піддавалися розсіювання на поверхні золотої фольги. Коротко моделі атома Томсона і Резерфорда описуються наступним чином. У моделі Томсона електрони розподілені в атомі нерівномірно, а в теорії Резерфорда – обертаються в концентричних площинах. Відмітною фактором у досвіді Резерфорда було використання саме альфа-частинок замість електронів. Альфа-частинки, на відміну від електронів, мали набагато більшою масою, і не зазнавали значних відхилень, коли стикалися з електронами. Тому у вчених була можливість реєструвати тільки ті сутички, які відбувалися з позитивно зарядженою частиною атома.

Роль відкриття Резерфорда

Цей досвід мав вирішальне значення для науки. З його допомогою вчені змогли отримати відповіді на ті питання, які залишалися загадкою для авторів різних моделей атома. Томсон, Резерфорд і Бор, хоча і володіли однаковою базою, все ж внесли кілька різний внесок в науку – і результати дослідів Резерфорда в даному випадку були вражаючими. Їх результати виявилися прямо протилежними тому, що очікували побачити вчені. Велика частина альфа-частинок проходило через лист фольги з прямим (або безпосереднім) траєкторіях. Однак траєкторії деяких альфа-частинок відхилялися на значні кути. А це було свідченням того, що в атомі перебувало освіта з дуже великою густиною, і що мало позитивний заряд. У 1911 році на основі експериментальних даних була висунута модель будови атома Резерфорда. Томсон, теорія якого до цього вважалася пануючою, в цей час продовжував працювати в лабораторії Кавендишского університету. До кінця свого життя вчений продовжував вірити в існування механічного ефіру, незважаючи на всі успіхи в наукових дослідженнях того часу.

Планетарна модель Резерфорда

Узагальнивши результати експериментів, Ернест Резерфорд висунув основні положення своєї теорії: згідно з нею, атом складається з важкого і щільного ядра дуже малих розмірів; навколо цього ядра розташовані електрони, що знаходяться в безперервному русі. Радіуси орбіт цих електронів також малі: вони складають 10-9 м. Ця модель була названа «планетарної» за свою схожість з моделлю Сонячної системи. В ній планети рухаються по еліптичних орбітах навколо величезного і масивного центру, що володіє тяжінням Сонця. Електрони обертаються в атомі з такою гігантською швидкістю, що утворюють навколо поверхні атома щось на зразок хмари. Відповідно до теорії Резерфорда, атоми розташовуються один від одного на деякій відстані, що дозволяє їм злипатися один з одним. Адже навколо кожного з них існує негативно заряджена електронна оболонка.

Моделі атома Томсона і Резерфорда: основні відмінності

Які ж основні відмінності між двома найважливішими теорій будови атома? Резерфорд припускав, що в центрі атома знаходиться ядро, що володіє позитивним електричним зарядом, і обсяг якого, в порівнянні з розмірами атома, мізерно малий. Томсон ж припускав, що весь атом являє собою утворення з великою щільністю. Другим головним відзнакою було розуміння положення електронів в атомі. Згідно Резерфорду, вони обертаються навколо ядра, і їх число приблизно дорівнює 1/2 атомної маси хімічного елемента. В теорії Томсона ж електрони всередині атома розподілені нерівномірно.

Мінуси теорії Резерфорда

Однак, незважаючи на всі переваги, на той момент теорія Резерфорда містила в собі одне важливе протиріччя. За законами класичної електродинаміки, електрон, що обертався навколо ядра, повинен був постійно випускати порції електричної енергії. З-за цього радіус орбіти, по якій рухається електрон, повинен був безупинно випромінювати електромагнітне випромінювання. Згідно з цим уявленням, час життя атома має бути мізерно малим. Найчастіше, коли говорять про відкриття внутрішньої будови атома, згадують імена Томсона і Резерфорда. Досліди Резерфорда, модель атома якого зараз відома кожного студента фізико-математичних відділень у вузах, в даний час є частиною історії науки. Коли Резерфорд зробив своє відкриття, він вигукнув: «Тепер мені відомо, як виглядає атом!» Проте насправді він помилявся, адже справжня картина стала відома вченим набагато пізніше. Хоча модель Резерфорда була піддана з плином часу значних коректив, її зміст залишився незмінним.

Модель Бора

Однак крім моделей атома Томсона і Резерфорда, існувала ще одна теорія, пояснює внутрішня будова цих найдрібніших частинок матерії. Вона належить Нільсу Бору – датському фізику, який запропонував своє пояснення в 1913 році. Відповідно до його моделі, електрон в атомі не підпорядковується стандартним фізичним законам. Саме Бор був тим вченим, який ввів у науку поняття про співвідношення між радіусом орбіти електрона і його швидкістю. В процесі створення своєї теорії Бор взяв за основу модель Резерфорда, однак піддав її значного доопрацювання. Моделі атомів Бору, Резерфорда і Томсона зараз можуть видатись дещо простими, проте саме вони лягли в основу сучасних уявлень про внутрішню будову атома. Сьогодні загальноприйнятою є квантова модель атома. Незважаючи на те, що квантова механіка не може описувати рух планет Сонячної системи, поняття орбіти досі залишилося в теоріях, що описують внутрішню будову атома.