Модель Резерфорда была разработана Эрнестом Резерфордом для описания атома . Резерфорд руководил экспериментом Гейгера-Марсдена в 1909 году, который на основе анализа Резерфорда 1911 года показал, что модель атома Дж. Дж. Томсона « пудинг с изюмом» была неверной. Новая модель атома Резерфорда [1] , основанная на экспериментальных результатах, содержала новые характеристики относительно высокого центрального заряда, сконцентрированного в очень малом объеме по сравнению с остальной частью атома, и с этим центральным объемом, содержащим большую часть массы атома ; эта область будет известна как атомное ядро . Модель Резерфорда впоследствии была заменена моделью Бора .
На протяжении 1800-х годов обсуждались и публиковались спекулятивные идеи об атомах. Модель Дж. Дж. Томсона была первой из этих моделей, основанной на экспериментально обнаруженных субатомных частицах. В той же статье, в которой Томсон объявил о своих результатах по «корпускулярной» природе катодных лучей , событии, которое считается открытием электрона , он начал размышлять об атомных моделях, состоящих из электронов. Он разработал свою модель, теперь называемую моделью сливового пудинга , в основном в 1904-06 годах. Он создал сложную механическую модель электронов, движущихся в концентрических кольцах, но положительный заряд, необходимый для уравновешивания отрицательных электронов, представлял собой простую сферу однородного заряда и неизвестного состава. [2] : 13 Между 1904 и 1910 годами Томсон разработал формулы для отклонения быстрых бета-частиц из своей атомной модели для сравнения с экспериментом. Похожая работа Резерфорда с использованием альфа-частиц в конечном итоге показала, что модель Томсона не может быть правильной. [3] : 269
Также среди ранних моделей были «планетарные» или подобные Солнечной системе модели. [2] : 35 В статье 1901 года [4] Жан Батист Перрен использовал открытие Томсона в предложенной модели , подобной Солнечной системе для атомов, с очень сильно заряженными «положительными солнцами», окруженными «корпускулами, своего рода маленькими отрицательными планетами», где слово «корпускулы» относится к тому, что мы сейчас называем электронами. Перрен обсудил, как эта гипотеза может быть связана с важными тогда необъяснимыми явлениями, такими как фотоэлектрический эффект , спектры излучения и радиоактивность . [5] : 145 Позднее Перрен приписал Резерфорду открытие ядерной модели. [6]
Несколько похожая модель, предложенная Хантаро Нагаокой в 1904 году, использовала кольца Сатурна в качестве аналога. [2] : 37 Кольца состояли из большого количества частиц, которые отталкивались друг от друга, но притягивались к большому центральному заряду. Этот заряд был рассчитан так, чтобы быть в 10 000 раз больше заряда частиц кольца для обеспечения стабильности. Джордж А. Шотт показал в 1904 году, что модель Нагаоки не может согласовываться с результатами атомной спектроскопии, и модель вышла из употребления. [2] : 37
Ядерная модель атома Резерфорда выросла из серии экспериментов с альфа-частицами , формой излучения, которую Резерфорд открыл в 1899 году. Эти эксперименты продемонстрировали, что альфа-частицы «рассеиваются» или отскакивают от атомов способами, отличными от предсказанных моделью Томсона. В 1908 и 1910 годах Ганс Гейгер и Эрнест Марсден в лаборатории Резерфорда показали, что альфа-частицы иногда могут отражаться от золотой фольги. Если Томсон был прав, луч должен был проходить через золотую фольгу с очень небольшими отклонениями. В ходе эксперимента большая часть луча проходила через фольгу, но некоторые из них отклонялись. [7]
В статье, опубликованной в мае 1911 года, [8] Резерфорд представил свою собственную физическую модель субатомной структуры в качестве интерпретации неожиданных экспериментальных результатов. [3] В ней атом состоит из центрального заряда (это современное атомное ядро , хотя Резерфорд не использовал термин «ядро» в своей статье). Резерфорд ограничился лишь небольшой центральной областью очень высокого положительного или отрицательного заряда в атоме.
Для конкретности рассмотрим прохождение высокоскоростной α-частицы через атом, имеющий положительный центральный заряд N e и окруженный компенсирующим зарядом N электронов. [8]
Используя только энергетические соображения о том, насколько далеко частицы с известной скоростью смогут проникнуть к центральному заряду в 100 е, Резерфорд смог вычислить, что радиус его золотого центрального заряда должен быть меньше (насколько меньше, сказать невозможно), чем 3,4 × 10 −14 метров. Это было в атоме золота, радиус которого, как известно, составляет 10 −10 метров или около того — весьма удивительное открытие, поскольку оно подразумевало сильный центральный заряд менее 1/3000 диаметра атома.
Модель Резерфорда служила для концентрации значительной части заряда и массы атома в очень маленьком ядре, но не приписывала никакой структуры оставшимся электронам и оставшейся атомной массе. Она упоминала атомную модель Хантаро Нагаока , в которой электроны расположены в одном или нескольких кольцах, с определенной метафорической структурой стабильных колец Сатурна. Модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона также имела кольца орбитальных электронов.
В статье Резерфорда предполагалось, что центральный заряд атома может быть «пропорционален» его атомной массе в единицах массы водорода u (примерно 1/2 от нее в модели Резерфорда). Для золота это массовое число равно 197 (тогда еще не известно с большой точностью) и поэтому было смоделировано Резерфордом как возможное 196 u. Однако Резерфорд не пытался установить прямую связь центрального заряда с атомным номером , поскольку «атомный номер» золота (в то время просто его номер места в периодической таблице ) был 79, а Резерфорд смоделировал заряд примерно как +100 единиц (он фактически предположил 98 единиц положительного заряда, что составляет половину от 196). Таким образом, Резерфорд формально не предполагал, что два числа (место в периодической таблице, 79, и ядерный заряд, 98 или 100) могут быть совершенно одинаковыми.
В 1913 году Антониус ван ден Брук предположил, что заряд ядра и атомный вес не связаны, тем самым проложив путь идее о том, что атомный номер и заряд ядра — одно и то же. Эта идея была быстро подхвачена командой Резерфорда и подтверждена экспериментально в течение двух лет Генри Мозли . [2] : 52
Вот основные показатели:
Новая модель атома Резерфорда сначала не вызвала никакой реакции. [11] : 28 Резерфорд явно игнорирует электроны, упоминая только модель Сатурна Хантаро Нагаоки . Игнорируя электроны, Резерфорд также игнорирует любые потенциальные последствия атомной спектроскопии для химии. [12] : 302 Сам Резерфорд не настаивал на своей атомной модели в последующие годы: его собственная книга 1913 года «Радиоактивные вещества и их излучения» упоминает атом только дважды; другие книги других авторов того времени сосредоточены на модели Томсона. [13] : 446
Влияние ядерной модели Резерфорда проявилось после того, как Нильс Бор прибыл в Манчестер в качестве аспиранта по приглашению Резерфорда. Бор отказался от работы над моделью Томсона в пользу ядерной модели Резерфорда, разработав модель Резерфорда–Бора в течение следующих нескольких лет. В конечном итоге Бор включил ранние идеи квантовой механики в модель атома, что позволило предсказать электронные спектры и концепции химии. [3] : 304
После открытия Резерфорда последующие исследования определили атомную структуру, что привело к эксперименту Резерфорда с золотой фольгой . Ученые в конечном итоге обнаружили, что атомы имеют положительно заряженное ядро (с атомным числом зарядов) в центре, с радиусом около 1,2 × 10 −15 метров × [атомное массовое число] 1 ⁄ 3 . Электроны оказались еще меньше.