Модель атома Резерфорда Бора. История открытия. Кац Л. Д., Лихтенберг С. М

Кац Л.Д., Лихтенберг С.М.

(1871 – 1937) (1885 – 1962)

Однако и это не делало атом Томсона правдоподобным. Его призрачная сфера оставалась загадочной. Вещественными были электроны, масса которых ничтожна мала. Положительную сферу нужно было набить примерно двумя тысячами этих частиц, чтобы оправдать массу даже легчайшего из атомов — водородного, чей атомный вес принимался за единицу. Сам Дж. Дж. Томсон тео­ретически рассматривая некоторые явления в газах, показал в 1906 году, что число электронов в атомах не столь велико.

Впрочем, как уверяли очевидцы, Томсон и сам без энтузиазма относился к своей модели.

Интересно, что до выдвижения Резерфордом идеи планетарного строения атома, подобные модели выдвигались различными учёными, но они не были подкреплены какими-либо опытными данными. За 24 года до Резерфорда выдающийся русский физик Петр Николаевич Лебедев записал в своем днев­нике:

«Каждый атом... представляет собой полную солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вра­щающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически.»

Эта запись была сделана 22 января 1887 года и оставалась неизвестной в течение семидесяти с лишним лет.

За восемь лет до Резерфорда виднейший японский физик того времени доктор Нагао­ка придумал ядерную модель. Но его атом был подобен не солнечной системе, а Сатурну с его кольцами. Он писал, что «атом, очевидно, можно представить себе приближенно, если заменить эти кольца отрицательными электронами, а притягивающий центр — положительно заряженной частицей».

После открытия Беккерелем радиоактивности многие физики занялись изучением этого явления. Резерфорд обладал важнейшим качеством великого учёного: он интуитивно чувствовал, в каких направлениях надо предпринимать исследования. Он поставил перед собой задачу выяснить природу этого излучения,

доказал его неоднородность, сконструировал прибор, улавливающий очень малое отклонение α-частиц в магнитном поле, и прибор, с помощью которого доказал, что α-частицы –это ядра атомов гелия. С тех пор α-частицы стали у Резерфорда любимым инструментом исследования.

Еще изучая отношение заряда к массе у альфа-частиц, он заметил, что частицы претерпевают рассеяние. Узкий альфа-луч, пронизав тонкий слюдяной листок или алюминиевую фольгу, чуть расширялся — рассеи­вался. Эффект казался пустячным: фотопластинки зарегистри­ровали отклонения примерно на 2 градуса — не больше. Однако и малого рассеяния для Резерфорда было достаточно, чтобы тотчас почуять за этим ничтожным физическим событием нечто чрезвычайно важное.

Толщина слюдяного листка была всего 0,003 сантиметра. Три тысячных сантиметра... И на таком малом пути электриче­ские силы внутри вещества успевали заметно отклонить летя­щие с громадными скоростями довольно массивные частицы. И в июне 1906 года в статье для «Philosophical magazine» он написал:

«Такой результат ясно показывает, что атомы веще­ства должны быть средоточием очень интенсивных элек­трических полей; этот вывод гармонирует с электриче­ской теорией материи».

испытание

атомы восьми чистых металлов — от легкого алюминия (атомный

вес 27) до

тяжелого свин­ца (атомный вес 207). Сменялись мишени однослойные, двухслойные, многослойные. Как и в ранее проводимых Резерфордом опытах, наиболее вероятный угол рассеяния вся­кий раз был невелик: 1 — 2 градуса. Но, хоть и в неши­роких пределах, он, конечно, менялся от мишени к мише­ни. Этот угол — мера рассеяния — тем больше, чем тяжелее рас­сеивающие атомы. Рассеяние возрастало и с увеличением числа атомов, мимо которых пролетала частица. Иначе говоря, оно было тем больше, чем многослойней была мишень.

В первых же опытах по рассеянию, Гейгер и его юный помощник столкнулись с непредвиденной трудностью: им часто не удавалось получить на сцинцилляционном экране картину рассеяния устойчивых очертаний - сцинцилляции нет-нет да и вспыхивали где-то в стороне от оси луча, показывая, что есть частицы, вылетающие из мишени куда-то вбок. Но это значило, что они и падали на мишень не под прямым углом, как весь луч, а откуда-то сбоку. Хотя их было немного, они все же путали статистику. Они загрязняли опыт и вызывали досаду.

Гейгер и Марсден предположили, что всему виною невидимые глазу неровности — «молекулярные опухоли» — на стеклянных стенках 4,5-метрового альфа-провода: частицы, летящие от источника вдоль стенок, пронизывают эти неровности или касаются их, в обоих случаях претерпевая рассеяние. К мишени они подлетают уже не под прямым углом. Их беспокоило одно: как избавиться от этих непрошеных частиц?

Надо отдать им должное — они устранили беду с изобре­тательностью, достойной самого шефа. Они вставили в трубку серию шайбочек-колец, плотно прилегающих изнутри к стек­лянным стенкам. Так они вывели из игры все периферийные частицы альфа-луча. Шайбочки их задерживали и поглощали. Луч сузился. Зато летел теперь по каналу, лишенному стенок: он летел внутри стеклянного альфа-провода по воображаемой трубке, ограниченной шириною отверстия шайбочек.

Резерфорд всё время думал об этих «непрошенных» частицах и предложил эксперимент по прямому отражению α-частиц от металлической фольги. Оказалось, что одна из 8000 частиц отскакивала от фольги обратно.

За год до смерти, в одной из последних своих лекций, вспоминая минув­шее, Резерфорд рассказал: «Я должен признаться по секрету, что не верил, буд­то это возможно... Это было, пожалуй, самым невероят­ным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было почти столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад».

Первое предположение, которое было сделано: отражение — суммарный эффект многих актов рассея­ния. Это результат накопления малого отклоняющего действия огромного количества атомов. Это не согласовывалось с теорией относительности.

Очень вероятно, что альфа-частица, летя сквозь тысячи атомов, в одном будет отклоняться в одну сторону, в другом — в дру­гую, и в итоге рассеется на малый угол. Но вероятность того, что тысячи атомов, один за другим, будут поворачивать ее в одну и ту же сторону, и только в эту сторону, такая вероят­ность почти равна нулю. Оставалось предположить, что альфа-частицы отража­ются назад в единичных актах столкновений с атомами.

Итак, атом – массивное положительное ядро, размер которого на 5 порядков меньше размера атома, и вращающиеся вокруг него электроны в количестве компенсирующим заряд ядра.

В марте 1911 года узнали, «как выглядит атом», члены Манчестерского литературно-философского общества. Но, слу­шая своего коллегу, профессора Резерфорда, они еще не созна­вали, что им выпала редкая честь быть участниками историче­ского заседания.

В мае 1911 года узнали, «как выглядит атом», физики всего мира: в майском выпуске «Philosophical magazine» появи­лась большая статья — «Рассеяние альфа- и бета-частиц в ве­ществе и Структура Атома».

В начале его статьи были строки:

«Вопрос об устойчивости предлагаемого атома на этой стадии не следует подвергать рассмотрению, ибо устой­чивость окажется, очевидно, зависящей от тонких дета­лей структуры атома и движения составляющих его за­ряженных частей».

Резерфорд прекрасно понимал, что предлагаемая модель не может существовать в соответствии с законами Макс­велла. Эти законы утверждали: если заряд движется с уско­рением, он излучает электромагнитные волны. Вращение — это движение с ускорением. Значит, электроны в таком атоме будут непрерывно излучать энергию, приближаясь к ядру, и свет, испущенный при этом, давал бы сплошной спектр. Атом перестал бы существовать за стомиллионные доли секунды. Ни время жизни атома, ни испускании им сплошного спектра не соответствовало практическим данным.

Он также прекрасно понимал, что его модель атома вызовет новые физические идеи. Выступая перед физиками своей секции, он сказал:

«Старое, и в большинстве случаев, несомненно, верное изречение, согласно которому два тела не могут за­нимать одно и то же пространство, больше не имеет си­лы для атомов материи при движении с достаточно вы­сокой скоростью».

Это означало, что альфа-частицы, пронизывая вещество, летят не мимо встречных атомов, а сквозь них, временно оккупи­руя в полете уже занятое материей

пространство. Так Резерфорд выразил идею не сплошного, а как бы сквозного атома. Это и был его первый существенный шаг в размышлениях о структуре атомных систем.

Той весной в Копенгагене защитил диссертацию по теории движения электронов в металле двадцатипятилетний Нильс Генрик Давид Бор. А в декабре 1911 года, семейные обстоятельства привели датчанина в Манчестер, где и состоялось историческое знакомство сорокалетнего Резерфорда и двадцатишестилетнего Бора. Резерфорд согла­сился принять его в группу сотрудников своей лабора­тории. Вот, как об этом времени вспоминает Бор:

« ...В центре интересов всей манчестерской группы бы­ло исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра. В первые недели моего пребывания в ла­боратории, следуя совету Резерфорда, я прослушал ввод­ный курс экспериментальных методов изучения радиоак­тивности... Очень скоро меня поглотили общие теоретиче­ские размышления о новой модели атома... С самого начала было очевидно, что на основе резерфордовской модели характерная устойчивость атомных систем никакими способами не может быть приведена в согласие с класси­ческими принципами механики и электродинамики... Од­нако такое положение дел было не слишком неожидан­ным, поскольку существенная ограниченность классиче­ских теорий в физике стала явной уже в 1900 году, благодаря открытию Планком универсального «кван­та действия»... В Манчестере, весной 1912 года, я до­вольно рано пришел к убеждению, что этим квантом действия управляется все электронное строение резерфордовского

атома.»

...Само существование мира постоянно доказывает: атом — устойчивая система. Значит, электроны, враща­ясь вокруг ядра, вопреки Максвеллу — Лоренцу не излу­чают непрерывно, если этого не происходит можно предположить, что в атоме есть орбиты, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты. Каждой орбите соответствует неизменный уровень энергии атома, чем дальше от ядра, тем выше этот уро­вень.

Любая система тем устойчивей, чем меньше энергии в ней запасено. Атом всего устойчивей, когда электрон вращается по самой нижней стационарной орбите; возбужденный притоком энергии извне, атом стре­мится вернуться в это основное состояние. Поднятый на далекую орбиту, электрон будет падать вниз — к ядру, он сможет «застрять», хотя бы временно, на любой из лежащих ниже стационарных орбит. Только между орбитами он быть не может. Вра­щаться по самой нижней раз­решенной орбите он способен неограниченно долго, ибо это состояние с минимальной энергией.

Возбужденный атом испускает электромаг­нитные волны. И если бы в микромире оставались верны­ми классические законы, атомные «спектры возбужде­ния» были бы непрерывными, сплошными, так как электрон падал на ядро по сужаю­щейся спирали, всё убыстряя вращение и на всем пути излучая энергию.

А на деле атомные спектры прерывисты.

Стационарные орбиты или разрешенные уровни энергии в атоме расположены «неравномерно»: чем ближе к ядру, тем больше разрыв между соседни­ми дозволенными уровнями энергии. Когда возбужден­ный атом возвращается в нормальное состояние, падаю­щий электрон перескакивает с орбиты па орбиту или последовательно или прямо вниз — на минимальный уровень. Атом освобождает­ся от своей избыточной энергии не в непрерывном про­цессе, а скачками.

Скачки означали, что атом излучает свет целыми пор­циями — едиными и неделимыми. Схема Бора показала, как рождаются планковскне кванты!

Бор вычислил орбиты в атоме с одним электроном, то есть водородоподобном атоме. Он смог теоретически предсказать то, что давно уже зна­ли спектроскописты: последовательность частот в сериях спектральных линий водорода и раскрыть значение эмпирически полученной Ридбергом постоянной через универсальные величины: массу и заряд электрона, постоянную Планка. Вот, как он сам пишет об этом в статье « О строении атомов и молекул»:

«…Существенным пунктом планковской теории излучения являет­ся утверждение, что излучение энергии атомной системы про­исходит не непрерывно, как принято в классической электроди­намике, а, напротив, определенными раздельными актами испуска­ния. Количество испускаемой атомным вибратором энергии при каждом акте излучения равно τhν (где τ — целое число, h— универсальная постоянная, ν – частота излучения)…Прежде чем перейти к изложению теории, совершенно необ­ходимо еще раз привести рассуждения, характеризующие расче­ты. ... Основные допущения ее следующие.

1. 
   Динамическое равновесие системы в стационарных состо­яниях можно рассматривать с помощью обычной механики, тогда как переход системы из одного стационарного состояния в другое нельзя трактовать на этой основе.
   
2. 
   Указанный переход сопровождается испусканием моно­хроматического излучения, для которого соотношение между час­тотой и количеством выделенной энергии именно такое, которое дает теория Планка...
   

Мы видим, что это соотношение объясняет закономерность, связывающую линии спектра водорода. Если взять τ = 2 и варьиро­вать τ _{1 ,} то получим обычную серию Бальмера. Если взять τ ₂= 3, получим в инфракрасной области серию, которую наблюдал Пашен и еще ранее предсказал Ритц. При τ ₂= 1 и τ ₂ = 4,5… получим в крайней ультрафиолетовой и соответственно крайней инфракрасной областях серии, которые еще не наблюдались, но существование которых можно предположить.

Соответствие здесь как качественное, так и количественное. Если положить

е=4,7⋅10¹⁰, e/m=5,З1⋅10¹⁷ и h = 6,5 ⋅10^-27

то получим:


Эмпирическое значение постоянной Ридберга равно 3,290⋅10¹⁵. Соответствие между теоретическим и наблюдае­мым значениями лежит в пределах ошибок измерений постоянных, входящих в теоретическую формулу….»

Прочитав первоначальный вариант этой статью Резерфорд пишет Бору:

«Дорогой д-р Бор!

...Я прочел вашу работу с великим интересом, но мне хочется бережно просмотреть ее снова, когда у меня бу­дет больше досуга. Ваши взгляды на механизм рождения водородного спектра очень остроумны, представляются отлично разработанными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой делает весьма затруднитель­ным физическое понимание того, что же лежит в основе такого механизма. Мне сдается, что есть серьезный ка­мень преткновения в вашей гипотезе, и я не сомневаюсь, что вы полностью сознаете это».

После долгой переписки Бора и Резерфорда в начале апреля первая из трех исторических статей Нильса Бора «О конституции атомов и молекул» приняла оконча­тельный вид и датированная 5 апреля 1913 года, она, снабженная препроводительным благословением Резерфорда, ушла в редакцию «Philosophical magazine», чтобы открыть собою новую эпоху в теоретическом по­знании микромира.
Литература

1. Д. Данин «Резерфорд», 1967, 1968. (ЖЗЛ)

в Лондонском Королевском обществе 17 мая 1966 года)

открытии Международного коллоквиума, посвященного 100-летию со

дня рождения Э. Резерфорда. 20 августа 1971)

4. Н. Бор. Атомная физика и человеческое познание. — М. 1961.

6. Н. Бор. Избранные научные труды. — В 2-х томах. — М. 1970—71.

7. А. Пайс. Нильс Бор, человек и его наука // А. Пайс. Гении науки. — М. 2002.

8. Д. Данин. Труды и дни Нильса Бора. — М.: Знание, 1985. — С. 8.

9. А. Б. Мигдал. Нильс Бор и квантовая физика // УФН. — 1985. Т. 147. № 10.

Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

В 1895 году, после получения степени бакалавра естественных наук и двух лет исследований в передовой области электричества, Резерфорд отправился в Англию для дальнейшего обучения в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (1895—1898), так как получил премию в 150 фунтов стерлингов.

Научная деятельность

Открыл альфа- и бета-излучение, короткоживущий изотоп радона (их несколько, сам радон ранее открыл немецкий химик) и множество изотопов. Объяснил на основе свойств радона радиоактивность тория, открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов, создал теорию радиоактивного распада, расщепил атом азота, обнаружил протон. Доказал, что альфа-частица — ядро гелия.

Поставив опыт по рассеянию альфа-частиц на металлической фольге, вывел формулу Резерфорда. Исходя из её анализа, сделал вывод о существовании в атоме массивного ядра. Создал планетарную теорию строения атомов, согласно которой, атом состоит из ядра, находящегося в центре, и электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра.

Первым открыл образование новых химических элементов при распаде тяжелых химических радиоактивных элементов. Уточнил на 30 % отношение заряда к массе электрона. Написал и опубликовал 3 тома работ. Все его работы носят экспериментальный характер.

Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую диссертацию по классической электронной теории металлов. В своей диссертационной работе Бор, развивая идеи Лоренца, доказал важную теорему классической статистической механики, согласно которой магнитный момент любой совокупности элементарных электрических зарядов, движущихся по законам классической механики в постоянном магнитном поле, в стационарном состоянии равен нулю. В 1919 эта теорема была независимо переоткрыта Йоханной ван Лёвен и носит название теоремы Бора — ван Лёвен. Из неё непосредственно следует невозможность объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в рамках классической физики. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой теории.

Бор в Англии. Теория Бора (1911—1916)

В 1911 Бор получил стипендию в размере 2500 крон от фонда Карлсберга для стажировки за границей. В сентябре 1911 он прибыл в Кембридж, чтобы работать в Кавендишской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона. Однако сотрудничество не сложилось: Томсона не заинтересовал молодой датчанин, с ходу указавший на ошибку в одной из его работ и к тому же плохо изъяснявшийся на английском. В марте 1912 Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с которым незадолго до того познакомился. В 1911 Резерфорд по итогам своих опытов опубликовал планетарную модель атома. Бор активно включился в работу по этой тематике. Летом 1912 Бор вернулся в Данию.

По возвращении в Копенгаген Бор преподавал в университете, в то же время интенсивно работая над квантовой теорией строения атома.

В марте 1913 Бор послал предварительный вариант статьи Резерфорду, а в апреле съездил на несколько дней в Манчестер для обсуждения своей теории. Итогом проведённой работы стали три части революционной статьи «О строении атомов и молекул», опубликованные в журнале «Philosophical Magazine» в июле, октябре и декабре 1913 и содержащие квантовую теорию водородоподобного атома. Работа Бора сразу привлекла внимание физиков и стимулировала бурное развитие квантовых представлений. Его современники по достоинству оценили важный шаг, который сделал датский учёный.