Сборник статей

Так появилась на свет ядерная модель атома Резерфорда (сам термин «ядро» был введен Резерфордом в 1912 г.), точнее ее было называть ядерно-планетарной, поскольку она подразумевала, что электроны вращаются вокруг ядра по оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца (рис. 3). К идее о положительном заряде ядра Резерфорд пришел не сразу.

Стало возможным говорить о разделении свойств атома на два типа: свойства, непосредственно зависящие от ядра, и свойства, определяемые электронными оболочками. К первым относились заряд ядра, масса атома, которая весьма мало отличалась от массы ядра, поскольку суммарная масса электронов была очень мала, а также радиоактивные свойства. Ко вторым относились размеры атома (диаметр атома 10–10 м, диаметр ядра 10–10 м), химические свойства и многие физические свойства, например, электрические, магнитные и оптические.
После того как ядерная модель появилась на свет, центральными все же оказались проблемы, связанные со свойствами, обусловленными электронными оболочками атома. Однако объяснение этих свойств на основе электромагнитной природы сил взаимодействия, определяющих строение атома, столкнулось с фактически неразрешимым противоречием. Оно заключалось в том, что атом, состоящий из положительно заряженного ядра и из отрицательно заряженных электронов, должен быть неустойчив. Ведь электроны в атоме, двигаясь, согласно законам классической механики, вокруг ядра, под действием кулоновских сил притяжения к нему в соответствии с канонами классической электродинамики должны были непрерывно терять энергию вследствие излучения. В итоге электроны все более и более приближались бы к ядру, вплоть до падения на него. Таким образом, атом Резерфорда изначально был обречен на разрушение.
Подобное противоречие было разрешено в 1913 г. Н.Бором, который применил к ядерно-планетарной модели квантовую теорию Планка. Бор рассуждал следующим образом: «…классическая электродинамика недостаточна для описания системы атомного размера. Каково бы ни оказалось изменение в законах движения электрона, представляется необходимым ввести в эти законы величины, чуждые классической электродинамике, т. е. постоянную Планка…» Бор полагал, что если вращающиеся электроны не падают на ядро, то отсюда следует предположение: в атоме есть «пути», двигаясь по которым электроны не теряют энергии. Эти «пути» – так называемые стационарные орбиты, отвечающие «разрешенным» уровням энергии в атоме. Электрон начинает терять энергию только в том случае, если покидает стационарную орбиту. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, «падающий» электрон перескакивает с орбиты на орбиту и теряет энергию не непрерывно, а скачками. «Количественная» оценка этих скачков возможна лишь при условии применения планковской теории. Образно говоря, планковский квант спас атом Резерфорда. Бор таким образом нашел ключ к пониманию внутренней механики атома, создав его квантовую теорию.
Это было величайшее открытие на пути создания современной атомистики. Однако «квантовый атом» также таил в себе противоречие: представление о стационарных орбитах электрона опиралось на квантовую теорию, тогда как расчет этих орбит производился методами классической механики и электродинамики. Тем самым теория Бора не была последовательно ни квантовой, ни классической. Как остроумно заметил английский физик У.Брэгг, принимая теорию Бора, «мы как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам – квантовыми».
В начале января 1913 г. голландский ученый А.Ван ден Брук высказал предположение: порядковый номер элемента (Z) в периодической системе Д.И.Менделеева численно равен заряду ядра его атомов. Кроме того, Ван ден Брук предложил гипотезу о строении атомного ядра. По его мнению, оно должно было состоять из ядер водорода (протонов) и внутриядерных электронов. Этой моделью фактически пользовались до 1932 г.