К концу XIX века было установлено, что атомы имеют сложное строение. Однако долгое время оставалось неясным, как именно устроен атом. В начале XX века английский физик Эрнест Резерфорд провел серию экспериментов, которые позволили предложить первую ядерную модель атома.

Модель Томсона

До опытов Резерфорда наиболее популярной была модель атома, предложенная Джозефом Джоном Томсоном. Согласно этой модели, атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой равномерно распределены электроны (как «изюминки в пудинге»). Суммарный заряд атома при этом равен нулю.

Однако эта модель не объясняла результатов экспериментов по рассеянию заряженных частиц, которые провел Резерфорд.

Опыты Резерфорда

В 1906–1911 годах Резерфорд совместно со своими сотрудниками провел ряд опытов по исследованию строения атома. В качестве «зонда» для изучения атома они использовали альфа-частицы — положительно заряженные частицы, которые испускаются некоторыми радиоактивными веществами.

Идея опыта была следующей. Узкий пучок альфа-частиц направлялся на тонкую золотую фольгу (толщиной около 0,0004 мм). За фольгой находился экран, покрытый слоем вещества, которое светится при попадании на него альфа-частиц. По вспышкам на экране можно было судить о том, в каком направлении отклоняются альфа-частицы после прохождения через фольгу.

Результаты опыта оказались удивительными. Ожидалось, что альфа-частицы будут отклоняться на небольшие углы, поскольку положительный заряд атома (по модели Томсона) распределен по всему объему. Однако оказалось, что:

• Большинство альфа-частиц (около 99,9%) проходили через фольгу, почти не отклоняясь.
• Небольшая часть частиц (около 0,1%) отклонялась на значительные углы (до 90° и более).
• Некоторые частицы (единицы на миллионы) отражались обратно, как будто натыкались на непреодолимую преграду.

Резерфорд так описывал свое удивление: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а он отскочил бы обратно и ударил в вас».

Планетарная модель атома

На основании результатов опытов Резерфорд пришел к выводу, что модель Томсона неверна. Он предложил новую модель строения атома, которую назвали планетарной.

Планетарная модель атома: атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, расположенного в центре, и вращающихся вокруг него электронов.

Согласно этой модели:

• Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, которое имеет положительный заряд.
• Ядро имеет очень малые размеры (примерно в 10 000–100 000 раз меньше размеров самого атома).
• Вокруг ядра движутся электроны, заряженные отрицательно. Число электронов равно числу положительных зарядов в ядре, поэтому атом в целом электронейтрален.
• Электроны удерживаются вблизи ядра силами электрического притяжения.

Планетарная модель объясняет результаты опытов Резерфорда. Большинство альфа-частиц проходит через атом, не отклоняясь, потому что атом в основном состоит из пустого пространства. Отклонения на большие углы происходят при близком пролете к массивному положительному ядру (кулоновское отталкивание). А отражения назад возможны при лобовом столкновении с ядром.