Atradimai atominės sandaros srityje tapo svarbiu žingsniu fizikos raidoje. Rutherfordo modelis buvo labai svarbus. Atomas kaip sistema ir jį sudarančios dalelės buvo ištirtos tiksliau ir išsamiau. Tai paskatino sėkmingą tokio mokslo, kaip branduolinės fizikos, vystymąsi.
Senovės idėjos apie materijos sandarą
Senovėje buvo daroma prielaida, kad aplinkiniai kūnai sudaryti iš mažiausių dalelių. To meto mąstytojai vaizdavo atomą kaip mažiausią ir nedalomą bet kokios medžiagos dalelę. Jie tvirtino, kad visatoje nėra nieko mažesnio už atomą. Tokių pažiūrų laikėsi didieji senovės graikų mokslininkai ir filosofai – Demokritas, Lukrecijus, Epikūras. Šių mąstytojų hipotezės šiandien yra sujungtos pavadinimu „senovės atomizmas“.
Viduramžių spektakliai
Senovės laikai praėjo, o viduramžiais buvo ir mokslininkų, kurie darė įvairias prielaidas apie medžiagų sandarą. Tačiau tuo istorijos laikotarpiu slypi religinių filosofinių pažiūrų vyravimas ir bažnyčios galia.nuslopino bet kokius žmogaus proto bandymus ir siekius materialistinėms mokslinėms išvadoms ir atradimams. Kaip žinia, viduramžių inkvizicija su to meto mokslo pasaulio atstovais elgėsi labai nedraugiškai. Belieka pasakyti, kad tuometiniai šviesūs protai turėjo iš antikos atkeliavusią idėją apie atomo nedalomumą.
18–19 amžiaus studijos
XVIII amžius buvo pažymėtas rimtais atradimais elementarios materijos sandaros srityje. Daugiausia dėl tokių mokslininkų kaip Antoine'as Lavoisier, Michailas Lomonosovas ir Johnas D altonas pastangų. Nepriklausomai vienas nuo kito jie sugebėjo įrodyti, kad atomai tikrai egzistuoja. Tačiau jų vidinės struktūros klausimas liko atviras. XVIII amžiaus pabaiga buvo pažymėta tokiu reikšmingu įvykiu mokslo pasaulyje kaip periodinės cheminių elementų sistemos atradimas D. I. Mendelejevo. Tai buvo tikrai galingas to meto proveržis ir pakėlė šydą virš supratimo, kad visi atomai turi vieną prigimtį, kad jie yra susiję vienas su kitu. Vėliau, XIX amžiuje, dar vienas svarbus žingsnis siekiant išnarplioti atomo struktūrą buvo įrodymas, kad bet kuriame iš jų yra elektronas. Šio laikotarpio mokslininkų darbai paruošė derlingą dirvą XX amžiaus atradimams.
Tomsono eksperimentai
Anglų fizikas Johnas Thomsonas 1897 m. įrodė, kad atomuose yra neigiamo krūvio elektronų. Šiame etape klaidingos idėjos, kad atomas yra bet kurios medžiagos dalijimosi riba, buvo galutinai sunaikintos. KaipThomsonui pavyko įrodyti elektronų egzistavimą? Savo eksperimentuose mokslininkas įdėjo elektrodus į labai išretintas dujas ir praleido elektros srovę. Rezultatas buvo katodiniai spinduliai. Thomsonas atidžiai ištyrė jų ypatybes ir išsiaiškino, kad tai įkrautų dalelių srautas, judantis dideliu greičiu. Mokslininkui pavyko apskaičiuoti šių dalelių masę ir jų krūvį. Jis taip pat išsiaiškino, kad jų negalima paversti neutraliomis dalelėmis, nes elektros krūvis yra jų prigimties pagrindas. Taip buvo atrasti elektronai. Thomsonas taip pat yra pirmojo pasaulyje atomo struktūros modelio kūrėjas. Pagal jį atomas – tai krūva teigiamai įkrautos medžiagos, kurioje tolygiai pasiskirstę neigiamo krūvio elektronai. Ši struktūra paaiškina bendrą atomų neutralumą, nes priešingi krūviai balansuoja vienas kitą. Johno Thomsono eksperimentai tapo neįkainojami tolesniam atomo sandaros tyrimui. Tačiau daugelis klausimų liko neatsakyti.
Rutherfordo tyrimai
Thomsonas atrado elektronų egzistavimą, bet jam nepavyko rasti teigiamai įkrautų dalelių atome. Ernestas Rutherfordas ištaisė šį nesusipratimą 1911 m. Eksperimentų metu, tirdamas alfa dalelių aktyvumą dujose, jis atrado, kad atome yra teigiamai įkrautų dalelių. Rutherfordas pastebėjo, kad kai spinduliai praeina per dujas arba per ploną metalinę plokštę, nedidelis dalelių skaičius smarkiai nukrypsta nuo judėjimo trajektorijos. Jie tiesiogine prasme buvo išmesti atgal. Mokslininkas tai spėjotoks elgesys paaiškinamas susidūrimu su teigiamai įkrautomis dalelėmis. Tokie eksperimentai leido fizikui sukurti Rutherfordo atomo struktūros modelį.
Planetos modelis
Dabar mokslininko idėjos šiek tiek skyrėsi nuo Johno Thomsono prielaidų. Jų atomų modeliai taip pat skyrėsi. Rutherfordo patirtis leido jam sukurti visiškai naują teoriją šioje srityje. Mokslininko atradimai turėjo lemiamos reikšmės tolesnei fizikos raidai. Rutherfordo modelis apibūdina atomą kaip branduolį, esantį centre, ir aplink jį judančius elektronus. Branduolys turi teigiamą krūvį, o elektronai – neigiamą. Rutherfordo atomo modelis padarė prielaidą apie elektronų sukimąsi aplink branduolį tam tikromis trajektorijomis – orbitomis. Mokslininko atradimas padėjo paaiškinti alfa dalelių nukrypimo priežastį ir tapo postūmiu plėtoti atomo branduolinę teoriją. Rutherfordo atomo modelyje yra analogija su Saulės sistemos planetų judėjimu aplink saulę. Tai labai tikslus ir ryškus palyginimas. Todėl Rutherfordo modelis, kuriame atomas juda aplink branduolį orbita, buvo vadinamas planetiniu.
Nielso Bohro darbai
Po dvejų metų danų fizikas Nielsas Bohras bandė sujungti idėjas apie atomo struktūrą su kvantinėmis šviesos srauto savybėmis. Rutherfordo branduolinį atomo modelį mokslininkas sukūrė kaip savo naujos teorijos pagrindą. Pasak Bohro, atomai sukasi aplink branduolį žiedinėmis orbitomis. Tokia judėjimo trajektorija veda į pagreitįelektronų. Be to, šių dalelių Kulono sąveiką su atomo centru lydi energijos sukūrimas ir suvartojimas erdviniam elektromagnetiniam laukui, atsirandančiam dėl elektronų judėjimo, palaikyti. Tokiomis sąlygomis neigiamo krūvio dalelės kada nors turi nukristi ant branduolio. Bet tai neįvyksta, o tai rodo didesnį atomų, kaip sistemų, stabilumą. Nielsas Bohras suprato, kad klasikinės termodinamikos dėsniai, aprašyti Maksvelo lygtimis, neveikia intraatominėmis sąlygomis. Todėl mokslininkas iškėlė sau užduotį išvesti naujus modelius, kurie galiotų elementariųjų dalelių pasaulyje.
Boro postulatai
Daugiausia dėl to, kad Rutherfordo modelis egzistavo, atomas ir jo komponentai buvo gerai ištirti, Nielsas Bohras galėjo priartėti prie savo postulatų kūrimo. Pirmasis iš jų teigia, kad atomas turi nejudančių būsenų, kuriose jis nekeičia savo energijos, o elektronai juda orbitomis nekeisdami savo trajektorijos. Pagal antrąjį postulatą, kai elektronas juda iš vienos orbitos į kitą, energija išsiskiria arba absorbuojama. Jis lygus ankstesnės ir vėlesnės atomo būsenų energijų skirtumui. Šiuo atveju, jei elektronas peršoka į orbitą arčiau branduolio, tada išsiskiria energija (fotonas), ir atvirkščiai. Nepaisant to, kad elektronų judėjimas mažai panašus į orbitos trajektoriją, esančią griežtai apskritime, Bohro atradimas puikiai paaiškino, kodėl egzistuoja valdoma.vandenilio atomo spektras. Maždaug tuo pačiu metu Vokietijoje gyvenę fizikai Hertzas ir Frankas patvirtino Nielso Bohro mokymus apie stacionarių, stabilių atomo būsenų egzistavimą ir galimybę keisti atominės energijos vertes.
Dviejų mokslininkų bendradarbiavimas
Beje, Rutherfordas ilgą laiką negalėjo nustatyti branduolio krūvio. Mokslininkai Marsdenas ir Geigeris pabandė dar kartą patikrinti Ernesto Rutherfordo teiginius ir, atlikę išsamius ir kruopščius eksperimentus bei skaičiavimus, priėjo prie išvados, kad branduolys yra svarbiausia atomo savybė ir visas jo krūvis. joje susikoncentruoja. Vėliau buvo įrodyta, kad branduolio krūvio reikšmė skaitine prasme yra lygi elemento eilės skaičiui periodinėje D. I. Mendelejevo elementų sistemoje. Įdomu tai, kad Nielsas Bohras netrukus susitiko su Rutherfordu ir visiškai sutiko su jo nuomone. Vėliau mokslininkai ilgą laiką dirbo kartu toje pačioje laboratorijoje. Rutherfordo modelis, atomas kaip sistema, susidedanti iš elementarių įkrautų dalelių – visa tai Nielsas Bohras laikė teisingu ir amžiams atidėjo į šalį savo elektroninį modelį. Bendra mokslininkų mokslinė veikla buvo labai sėkminga ir davė vaisių. Kiekvienas iš jų gilinosi į elementariųjų dalelių savybių tyrimą ir padarė reikšmingų atradimų mokslui. Vėliau Rutherfordas atrado ir įrodė branduolio skilimo galimybę, tačiau tai yra kito straipsnio tema.
