Rutherfordi katsed alfaosakeste hajumise uurimisel. Rutherfordi alfaosakeste hajumise katse (lühidalt)

Rutherfordi katsed alfaosakeste hajumise kohta Aatomi tuumamudel.

On teada, et kreeka keelest tõlgitud sõna "atom" tähendab "jagamatut". Inglise füüsik J. Thomson töötas välja (19. sajandi lõpus) esimese "aatomi mudeli", mille kohaselt aatom on positiivselt laetud sfäär, mille sees hõljusid elektronid. Thomsoni pakutud mudel vajas eksperimentaalset kontrolli, kuna radioaktiivsuse nähtusi ja fotoelektrilist efekti ei saanud Thomsoni aatomimudeliga seletada. Seetõttu viis Ernest Rutherford 1911. aastal läbi rea katseid, et uurida aatomite koostist ja struktuuri. Nendes katsetes kitsas tala a -radioaktiivse aine poolt eraldunud osakesed suunati õhukesele kuldfooliumile. Selle taga oli ekraan, mis oli võimeline kiirete osakeste mõjul helendama. Selgus, et enamus on a -osakesed kalduvad pärast fooliumi läbimist lineaarsest levikust kõrvale, st hajuvad ja mõned a -osakesed visatakse tagasi 180 0 .

Trajektoorid A-osakesed, mis lendavad tuumast erinevatel kaugustel

Laserid

Kiirguse kvantteooriale tuginedes ehitati raadiolainete kvantgeneraatorid ja nähtava valguse kvantgeneraatorid – laserid. Laserid toodavad väga suure võimsusega koherentset kiirgust. Laserkiirgust kasutatakse väga laialdaselt erinevates teaduse ja tehnika valdkondades, näiteks sidepidamiseks kosmoses, info salvestamiseks ja salvestamiseks (laserkettad) ning keevitamiseks, meditsiinis.

Valguse emissioon ja neeldumine aatomite poolt

Bohri postulaatide järgi võib elektron olla mitmel kindlal orbiidil. Iga elektroni orbiit vastab teatud energiale. Kui elektron liigub lähedaselt orbiidilt kaugele, neelab aatomisüsteem energiakvanti. Kui elektron liigub kaugemalt orbiidilt tuuma suhtes lähemale, kiirgab aatomisüsteem energiakvanti.

Spektrid

Bohri teooria võimaldas selgitada joonspektrite olemasolu.
Valem (1) annab kvalitatiivse ettekujutuse sellest, miks aatomiemissiooni- ja neeldumisspektrid on joondatud. Tegelikult võib aatom kiirata ainult nende sagedustega laineid, mis vastavad energiaväärtuste erinevustele E 1 , E 2 , . . . , E n ,. . Seetõttu koosnebki aatomite emissioonispekter eraldi asetsevatest teravatest heledatest joontest. Samal ajal võib aatom absorbeerida mitte ühtegi footonit, vaid ainult ühte energiaga hν mis on täpselt võrdne erinevusega E n − Ek mingi kaks lubatud energiaväärtust E n Ja Ek. Liikumine kõrgema energia olekusse E n, aatomid neelavad täpselt samu footoneid, mida nad on võimelised kiirgama vastupidisel üleminekul algolekusse Ek. Lihtsamalt öeldes võtavad aatomid pidevast spektrist need jooned, mida nad ise kiirgavad; Seetõttu paiknevad külma aatomigaasi neeldumisspektri tumedad jooned täpselt nendes kohtades, kus paiknevad kuumutatud olekus sama gaasi emissioonispektri heledad jooned.

Pidev spekter

Ernest Rutherford (1871-1937).

Inglise füüsik, tuumafüüsika asutaja, Londoni Kuningliku Seltsi liige (1903, president aastatel 1925-1930) ja enamiku akadeemiate üle maailma. Sündis Brightwateris (Uus-Meremaa). 1899. aastal avastas alfa- ja beetakiired 1900. aastal - raadiumi lagunemisprodukt (emanatsioon) ja tutvustas poolestusaja mõistet. Koos F. Soddyga 1902. - 1903. a. töötas välja radioaktiivse lagunemise teooria ja kehtestas radioaktiivsete muundumiste seaduse. Aastal 1903 tõestas, et alfakiired koosnevad positiivselt laetud osakestest (Nobeli keemiaauhind, 1908).

Aastal 1908 konstrueeris koos G. Geigriga üksikute laetud osakeste salvestamise seadme (Geigeri loendur). Paigaldatud 1911. aastal alfaosakeste hajumise seadus erinevate elementide aatomite järgi (Rutherfordi valem), mis võimaldas 1911. aastal luua aatomi uue mudeli – planetaarse (Rutherfordi mudel).

Ta esitas aatomituumade kunstliku muundamise idee (1914). 1919. aastal viis läbi esimese kunstliku tuumareaktsiooni, muutes lämmastiku hapnikuks, pannes sellega aluse ühisele tuumafüüsikale, avastas prootoni. 1920. aastal ennustas neutroni ja deuteroni olemasolu. Koos M. Oliphantiga tõestas ta seda 1933. aastal eksperimentaalselt. massi ja energia vahelise seose seaduse kehtivus tuumareaktsioonides. 1934. aastal viis läbi deuteroonide ühinemisreaktsiooni triitiumi moodustumisega.

Esimesed katsed aatomi struktuuri uurimiseks tegi Ernest Rutherford aastal 1911. Need said võimalikuks tänu radioaktiivsuse fenomeni avastamisele, mille käigus vabanevad raskete elementide loomuliku radioaktiivse lagunemise tulemusena rasked elemendid. -osakesed. Selgus, et nende osakeste positiivne laeng on võrdne kahe elektroni laenguga, nende mass on ligikaudu 4 korda suurem kui vesinikuaatomi mass, s.o. need on heeliumi aatomi ioonid (). Osakeste energia varieerub eV uraani puhul eV tooriumi puhul. Osakeste kiirus on m/s, seega saab nendega õhukesest metallfooliumist “läbi tulistada”. Teave osakeste hajumise kohta on näidatud joonisel fig. 1.

Uuringud on näidanud, et väike hulk osakesi kaldus oluliselt kõrvale algsest liikumissuunast. Mõnel juhul oli hajumise nurk 180 kraadi lähedal. Saadud andmete põhjal tegi E. Rutherford järeldused, mis olid aluseks aatomi planetaarmudel:

On tuum, milles on koondunud peaaegu kogu aatomi mass ja kogu selle positiivne laeng ning tuuma mõõtmed on palju väiksemad kui aatomi enda mõõtmed;

Aatomi moodustavad elektronid liiguvad ümber tuuma ringikujulistel orbiitidel.

Nendele kahele eeldusele tuginedes ja eeldades, et langeva osakese ja positiivselt laetud tuuma vastastikmõju määravad Coulombi jõud, tegi Rutherford kindlaks, et aatomituumadel on mõõtmed ()m, s.o. need on () korda väiksemad kui aatomite suurus.

Rutherfordi pakutud aatomi mudel meenutab päikesesüsteemi, s.t. aatomi keskel on tuum ("Päike") ja elektronid - "planeedid" - liiguvad selle ümber orbiitidel. Seetõttu kutsuti Rutherfordi mudelit planetaarne aatomimudel.

See mudel oli samm edasi tänapäevase arusaamise suunas aatomi struktuurist. Aluskontseptsioon aatomituum, milles aatomi kogu positiivne laeng ja peaaegu kogu selle mass on kontsentreeritud, on säilitanud oma tähenduse tänapäevani.

Küll aga eeldus, et elektronid liiguvad ringikujulistel orbiitidel Sobimatu ei klassikalise elektrodünaamika seadustega ega ka aatomigaaside emissioonispektrite joonelise olemusega.

Illustreerime Rutherfordi planeedimudeli kohta öeldut vesinikuaatomi näitel, mis koosneb massiivsest tuumast (prootonist) ja selle ümber ringorbiidil liikuvast elektronist. Alates orbiidi raadiusest m (esimene Bohri orbiit) ja elektronide kiirus m/s, selle normaalne kiirendus . Ringikujulisel orbiidil kiirendusega liikuv elektron on kahemõõtmeline ostsillaator. Seetõttu peaks see klassikalise elektrodünaamika järgi kiirgama energiat elektromagnetlaine kujul. Selle tulemusena läheneb elektron paratamatult tuumale ajas s. Kuid tegelikult on vesinikuaatom stabiilne ja "pikaealine" elektromehaaniline süsteem.

Aatomi struktuur on keeruline. Seda kinnitavad avastused selliste nähtuste kohta nagu elektron, röntgenikiirgus ja radioaktiivsus. Teoreetilise uurimistöö ja arvukate katsete tulemusena tekkis a aatomi struktuuri teooria. Eriti olulise panuse aatomistruktuuri teooria loomisse andis inglise füüsik Ernest Rutherford(1871 - 1937), kes viis läbi katseid, et uurida alfaosakeste läbimist läbi õhukeste kullast ja plaatina metallplaatidest.

Rutherford tegi 1906. aastal ettepaneku sondeerida raskete elementide aatomeid 4,05 MeV energiaga alfaosakestega, mida kiirgasid uraani- või raadiumituum. Nii tehti ettepanek uurida alfaosakeste hajumist (liikumissuuna muutumist) aines.

Alfaosakese mass on ligikaudu 8000 korda suurem elektroni massist. Positiivne laeng on suuruselt võrdne elektroni 2e kahekordse laenguga. Alfaosakese kiirus on 1/15 valguse kiirusest ehk 2 * 10 7 m/s. Alfa osake on täielikult ioniseeritud heeliumi aatom.

Rutherfordi katsete lihtsustatud diagramm on näidatud joonisel fig. 1.1. Alfaosakesi kiirgas radioaktiivne allikas 1, mis oli paigutatud kitsa kanaliga 3 pliisilindrisse 2. Kitsas alfaosakeste kiir kanalist langes uuritavast materjalist valmistatud fooliumile 4, mis oli risti fooliumi pinnaga. Pliisilindrist läbisid alfaosakesed ainult läbi kanali ja ülejäänu neelas plii. Fooliumit läbinud ja selle poolt hajutatud alfaosakesed langesid poolläbipaistvale ekraanile 5, mis oli kaetud luminestsentsainega (tsinksulfaat). See aine oli võimeline hõõguma, kui alfaosake seda tabas. Iga osakese kokkupõrkega ekraaniga kaasnes valgussähvatus. Seda välku nimetatakse stsintillatsioon(ladina keelest stsintillatsioon – sädelev, lühiajaline valgussähvatus). Ekraani taga oli mikroskoop 6. Et vältida alfaosakeste täiendavat hajumist õhus, paigutati kogu seade piisava vaakumiga anumasse.

Riis. 1.1. Rutherfordi katsete lihtsustatud skeem.

Fooliumi puudumisel ilmus ekraanile hele ring, mis koosnes õhukese alfaosakeste kiirest põhjustatud stsintillatsioonidest. Kuid kui alfaosakeste teele asetati õhuke kuldfoolium paksusega umbes 0,1 μm (mikron), muutus ekraanil nähtav pilt oluliselt: üksikud välgud ei ilmunud mitte ainult eelmisest ringist väljapoole, vaid need võisid isegi tekkida. vaadeldakse kuldfooliumi vastasküljelt.

Lugedes stsintillatsioonide arvu ajaühikus ekraani erinevates kohtades, on võimalik kindlaks teha hajutatud alfaosakeste jaotus ruumis. Alfaosakeste arv väheneb kiiresti hajumise nurga suurenedes.

Ekraanil vaadeldud pilt viis järeldusele, et suurem osa alfaosakesi läbib kuldfooliumi, ilma et nende liikumissuund oleks märgatavalt muutunud. Mõned osakesed kaldusid aga suurte nurkade all alfaosakeste algsest suunast kõrvale (umbes 135 o ... 150 o) ja paiskusid isegi tagasi. Uuringud on näidanud, et kui alfaosakesed läbivad fooliumi, siis iga 10 000 langeva osakese kohta kaldub ainult üks algsest liikumissuunast rohkem kui 10° nurga võrra kõrvale. Vaid harvaesineva erandina kaldub üks tohutul hulgal alfaosakesi oma algsest suunast kõrvale.

Asjaolu, et paljud alfaosakesed läbisid fooliumi oma liikumissuunast kõrvale kaldumata, viitab sellele, et aatom ei ole tahke üksus. Kuna alfaosakese mass on peaaegu 8000 korda suurem kui elektroni mass, ei saa fooliumi aatomite koostisesse kuuluvad elektronid märgatavalt muutuda trajektoor alfa osakesed. Alfaosakeste hajumist võib põhjustada aatomi positiivselt laetud osake – aatomituum.

Aatomituum- see on väike keha, milles on koondunud peaaegu kogu aatomi mass ja peaaegu kogu positiivne laeng.

Mida lähemale alfaosake tuumale lähenes, seda suurem on elektrilise vastasmõju jõud ja seda suurem on osakese kõrvalekalde nurk. Väikestel kaugustel tuumast kogeb positiivselt laetud alfaosake tuumast märkimisväärset tõukejõudu F, mis on määratud Coulombi seadusega:

kus r on kaugus tuumast alfaosakesse; ε 0 – elektriline konstant SI-ühikutes; p – prootonite arv tuumas; e = 1,6*10-19 C – elementaarelektrilaengu (elektronilaengu) absoluutväärtus; 2e – alfaosakeste laeng

Joonisel 1.2 on kujutatud tuumast erinevatel kaugustel lendavate alfaosakeste trajektoore.

Rutherford suutis kasutusele võtta valemi, mis ühendab teatud nurga all hajutatud alfaosakeste arvu aatomi tuumas olevate alfaosakeste ja prootonite p energiaga. Valemi eksperimentaalne kontrollimine kinnitas selle kehtivust ja näitas, et prootonite arv tuumas on võrdne aatomisiseste elektronide arvuga Z ja selle määrab keemilise elemendi aatomnumber (st. element D.I. Mendelejevi perioodilises süsteemis):

Riis. 1.2. Alfaosakeste trajektoorid.

Erinevate nurkade all hajutatud alfaosakeste arvu lugedes suutis Rutherford hinnata tuuma lineaarseid mõõtmeid. Selleks, et positiivne tuum alfaosakese tagasi paiskaks, peab elektrostaatilise (Coulombi) tõrjumise potentsiaalne energia aatomituuma piiridel olema võrdne alfaosakese kineetilise energiaga:

Selgus, et südamiku läbimõõt on:

d i = 10 -13 ... 10 -12 cm = 10 -15 ... 10 -14 m

Aatomi enda lineaarne läbimõõt:

d a = 10 -8 cm = 10 -10 m

Aatomi planetaarmudel

Pärast arvukate katsete analüüsimist tegi Rutherford ettepaneku 1911. aastal planetaarne aatomimudel(aatomi tuumamudel).

Selle mudeli järgi on aatomi keskmes positiivselt laetud tuum, millesse on koondunud peaaegu kogu aatomi mass. Negatiivselt laetud elektronid tiirlevad ümber tuuma. Elektronid liiguvad ümber tuuma suhteliselt pikkade vahemaade tagant, umbes nagu planeedid tiirlevad ümber päikese. Nende elektronide kogumist moodustub elektronkiht või elektronide pilv.

Aatom tervikuna on neutraalne, seetõttu on elektronide kogu negatiivse laengu absoluutväärtus võrdne tuuma positiivse laenguga: tuumas olevate prootonite arv Z*e võrdub elektronide arvuga tuumas. elektronipilv ja ühtib perioodilise süsteemi D. I. Mendelejev antud keemilise elemendi aatomi järjekorranumbriga (aatomnumbriga) Z.

Näiteks vesinikuaatomi aatomnumber on Z = 1, seetõttu koosneb vesinikuaatom positiivsest tuumast, mille laeng on võrdne elektroni laengu absoluutväärtusega. Üks elektron tiirleb ümber tuuma. Vesinikuaatomi tuuma nimetatakse prootoniks. Liitiumi aatomi aatomnumber on Z = 3, seetõttu pöörleb 3 elektroni ümber liitiumi aatomi tuuma.

Sissejuhatus

Aatomid, mida algselt peeti jagamatuteks, on keerulised süsteemid. Neil on massiivne prootonitest ja neutronitest koosnev tuum, mille ümber elektronid tühjas ruumis liiguvad. Aatomid on väga väikesed – nende mõõtmed on umbes 10 –10 –10 –9 m ja tuuma mõõtmed on endiselt umbes 100 000 korda väiksemad (10 –15 –10 –14 m). Seetõttu saab aatomeid “näha” vaid kaudselt, väga suure suurendusega pildil (näiteks väljakiirgusprojektori abil). Kuid isegi sel juhul ei saa aatomeid üksikasjalikult näha. Meie teadmised nende sisemisest struktuurist põhinevad tohutul hulgal eksperimentaalsetel andmetel, mis kaudselt, kuid veenvalt toetavad eelnevat. Ideed aatomi struktuuri kohta muutusid 20. sajandil radikaalselt. mõjutatud uutest teoreetilistest ideedest ja eksperimentaalsetest andmetest. Aatomituuma siseehituse kirjelduses on veel lahendamata küsimusi, mis on intensiivse uurimise objektiks. Järgmistes osades kirjeldatakse aatomi kui terviku struktuuri puudutavate ideede kujunemislugu; Eraldi artikkel on pühendatud tuuma struktuurile (ATOMIC NUCLEUS STRUCTURE), kuna need ideed arenesid suuresti iseseisvalt. Aatomi väliskesta uurimiseks kuluv energia on suhteliselt väike, soojuse või keemilise energia suurusjärgus. Sel põhjusel avastati elektronid eksperimentaalselt ammu enne tuuma avastamist. Tuum on vaatamata oma väiksusele väga tugevalt seotud, mistõttu saab seda hävitada ja uurida vaid aatomite vahel mõjuvatest jõududest miljoneid kordi intensiivsemate jõudude abil. Kiire edasiminek tuuma sisestruktuuri mõistmisel algas alles osakeste kiirendite tulekuga. Just see tohutu erinevus suuruses ja sidumisenergias võimaldab meil vaadelda aatomi struktuuri kui terviku tuuma struktuurist eraldi. Aatomi suurusest ja selle hõivatud tühjast ruumist aimu saamiseks kaaluge aatomeid, mis moodustavad 1 mm läbimõõduga veetilga. Kui suurendada seda tilka mõtteliselt Maa suuruseks, siis on veemolekulis sisalduvate vesiniku- ja hapnikuaatomite läbimõõt 1–2 m. Põhiosa iga aatomi massist on koondunud selle tuuma, läbimõõt. millest oli ainult 0,01 mm .

Põhiosa

I. Aatomite ehituse ideede areng

Aatomi keeruka struktuuri avastamine on kaasaegse füüsika arengu kõige olulisem etapp. Kvantitatiivse aatomistruktuuri teooria loomise käigus, mis võimaldas selgitada aatomisüsteeme, tekkisid uued ideed mikroosakeste omaduste kohta, mida kirjeldab kvantmehaanika.

Idee aatomitest kui ainete jagamatutest väikseimatest osakestest, nagu eespool märgitud, tekkis iidsetel aegadel (Democritus, Epicurus, Lucretius). Keskajal aatomiõpetus, olles materialistlik, ei leidnud tunnustust. 18. sajandi alguseks. aatomiteooria kogub üha populaarsemaks. Selleks ajaks olid prantsuse keemiku A. Lavoisier’ (1743–1794), suure vene teadlase M.V. Lomonosov ning inglise keemik ja füüsik D. Dalton (1766–1844) tõestasid aatomite olemasolu reaalsust. Kuid sel ajal ei tekkinud isegi küsimust aatomite sisemise struktuuri kohta, kuna aatomeid peeti jagamatuteks.

Suurt rolli aatomiteooria väljatöötamisel mängis väljapaistev vene keemik D.I. Mendelejev, kes töötas 1869. aastal välja elementide perioodilise süsteemi, milles esimest korda tõstatati teaduslikul alusel küsimus aatomite ühtsest olemusest. 19. sajandi teisel poolel. Eksperimentaalselt on tõestatud, et elektron on iga aine üks peamisi osi. Need järeldused, aga ka arvukad katseandmed viisid selleni, et 20. sajandi alguses. Tõsiselt kerkis üles küsimus aatomi ehitusest.

Loomuliku seose olemasolu kõigi keemiliste elementide vahel, mis on selgelt väljendatud Mendelejevi perioodilises süsteemis, viitab sellele, et kõigi aatomite struktuur põhineb ühisel omadusel: nad on kõik üksteisega tihedalt seotud.

Siiski kuni 19. sajandi lõpuni. Keemias valitses metafüüsiline veendumus, et aatom on lihtaine väikseim osake, aine jaguvuse lõplik piir. Kõigi keemiliste transformatsioonide käigus hävivad ja tekivad uuesti ainult molekulid, samas kui aatomid jäävad muutumatuks ja neid ei saa jagada väiksemateks osadeks.

Pikka aega ei leidnud erinevad oletused aatomi struktuuri kohta kinnitust ühegi katseandmega. Alles 19. sajandi lõpus. tehti avastusi, mis näitasid aatomi ehituse keerukust ja võimalust muuta teatud tingimustel mõned aatomid teisteks. Nende avastuste põhjal hakkas aatomi ehituse õpetus kiiresti arenema.

Esimesed kaudsed tõendid aatomite keeruka struktuuri kohta saadi väga haruldaste gaaside elektrilahenduse käigus tekkivate katoodkiirte uurimisel. Nende kiirte omaduste uurimisel jõuti järeldusele, et tegemist on pisikeste osakeste vooga, mis kannavad negatiivset elektrilaengut ja lendavad valguse kiirusele lähedase kiirusega. Spetsiaalsete tehnikate abil oli võimalik määrata katoodiosakeste mass ja nende laengu suurus ning välja selgitada, et need ei sõltu ei torusse jääva gaasi olemusest ega ainest, millest elektroodid on pärit. tehakse või muudel katsetingimustel. Pealegi tuntakse katoodosakesi ainult laetud olekus ja neid ei saa nende laengutest eemaldada ja elektriliselt neutraalseteks osakesteks muuta: elektrilaeng on nende olemuse olemus. Need osakesed, mida nimetatakse elektronideks, avastas 1897. aastal inglise füüsik J. Thomson.

Aatomi ehitust hakati praktiliselt uurima aastatel 1897–1898, pärast seda, kui lõpuks tehti kindlaks katoodkiirte olemus elektronide voona ning tehti kindlaks elektroni laeng ja mass. Thomson pakkus välja aatomi esimese mudeli, esitades aatomi positiivse elektrilaenguga ainekogumina, millesse on segatud nii palju elektrone, et see muudab selle elektriliselt neutraalseks moodustiseks. Selles mudelis eeldati, et välismõjude mõjul võivad elektronid võnkuda, st liikuda kiirendatud kiirusega. Näib, et see võimaldas vastata küsimustele aineaatomite valguse ja radioaktiivsete ainete aatomite gammakiirte emissiooni kohta.

Thomsoni aatomimudel ei eeldanud positiivselt laetud osakesi aatomi sees. Kuidas aga seletada positiivselt laetud alfaosakeste emissiooni radioaktiivsete ainete poolt? Thomsoni aatomimudel ei vastanud mõnele muule küsimusele.

Inglise füüsik E. Rutherford avastas 1911. aastal alfaosakeste liikumist gaasides ja muudes ainetes uurides aatomi positiivselt laetud osa. Edasised põhjalikumad uuringud näitasid, et kui paralleelsete kiirtekiir läbib gaasikihte või õhukest metallplaati, ei teki enam paralleelsed kiired, vaid mõnevõrra lahknevad kiired: alfaosakesed hajuvad, s.t kalduvad algselt teelt kõrvale. Paindenurgad on väikesed, kuid alati on väike arv osakesi (umbes üks mitmest tuhandest), mis on väga tugevalt läbi paindunud. Mõned osakesed paisatakse tagasi, nagu oleksid nad kohanud läbimatut barjääri. Need ei ole elektronid – nende mass on palju väiksem kui alfaosakeste mass. Läbipaine võib tekkida kokkupõrkel positiivsete osakestega, mille mass on samas suurusjärgus alfaosakeste massiga. Nendele kaalutlustele tuginedes pakkus Rutherford välja järgmise aatomi struktuuri diagrammi.

Aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, mille ümber elektronid pöörlevad erinevatel orbiitidel. Nende pöörlemisel tekkivat tsentrifugaaljõudu tasakaalustab tuuma ja elektronide vaheline tõmbejõud, mille tulemusena jäävad nad tuumast teatud kaugusele. Kuna elektroni mass on tühine, on peaaegu kogu aatomi mass koondunud selle tuumasse. Tuuma ja elektronide osakaal, mille arv on suhteliselt väike, moodustab vaid tühise osa aatomisüsteemi koguruumist.

Rutherfordi pakutud aatomi struktuuri skeem või, nagu tavaliselt öeldakse, aatomi planetaarmudel, selgitab kergesti alfaosakeste läbipainde nähtusi. Tõepoolest, tuuma ja elektronide suurus on äärmiselt väike, võrreldes kogu aatomi suurusega, mille määravad tuumast kõige kaugemal olevate elektronide orbiidid, mistõttu enamik alfaosakesi lendab läbi aatomite ilma märgatava läbipaindeta. Ainult juhtudel, kui alfaosake jõuab tuumale väga lähedale, põhjustab elektriline tõukejõud selle järsu kõrvalekaldumise oma algsest rajast. Seega pani alfaosakeste hajumise uurimine aluse aatomi tuumateooriale.

II. Bohri postulaadid

Aatomi planetaarmudel võimaldas küll seletada aine alfaosakeste hajumise katsete tulemusi, kuid põhimõttelised raskused tekkisid aatomite stabiilsuse põhjendamisel. Esimese katse konstrueerida kvalitatiivselt uut – kvantteooriat – aatomiteooria tegi 1913. aastal Niels Bohr. Ta seadis eesmärgiks siduda ühtseks tervikuks joonspektrite empiirilised seadused, aatomi Rutherfordi tuumamudel ning valguse emissiooni ja neeldumise kvantloomus. Bohr rajas oma teooria Rutherfordi tuumamudelile. Ta pakkus välja, et elektronid liiguvad ümber tuuma ringikujulistel orbiitidel. Ringliikumisel, isegi konstantsel kiirusel, on kiirendus. Selline laengu kiirendatud liikumine on võrdne vahelduvvooluga, mis tekitab ruumis vahelduva elektromagnetvälja. Selle välja loomiseks kulub energiat. Väljaenergia võib tekkida tänu elektroni ja tuuma Coulombi interaktsiooni energiale. Selle tulemusena peab elektron liikuma spiraalselt ja langema tuumale. Kogemus näitab aga, et aatomid on väga stabiilsed moodustised. Sellest järeldub, et klassikalise elektrodünaamika tulemused, mis põhinevad Maxwelli võrranditel, ei ole rakendatavad aatomisisestele protsessidele. On vaja leida uusi mustreid. Bohr rajas oma aatomiteooria järgmistele postulaatidele.

Bohri esimene postulaat(statsionaarsete olekute postulaat): aatomis on statsionaarsed (ajas muutumatud) olekud, milles ta energiat ei eralda. Aatomi statsionaarsed seisundid vastavad statsionaarsetele orbiitidele, mida mööda liiguvad elektronid. Elektronide liikumisega statsionaarsetel orbiitidel ei kaasne elektromagnetlainete kiirgamist. See postulaat on vastuolus klassikalise teooriaga. Aatomi statsionaarses olekus peavad ringorbiidil liikuval elektronil olema nurkimpulsi diskreetsed kvantväärtused.

Bohri teine postulaat(sagedusreegel): kui elektron liigub ühelt statsionaarselt orbiidilt teisele, kiirgab (neeldub) üks energiaga footon

võrdne vastavate statsionaarsete olekute energiate vahega (En ja Em on vastavalt aatomi statsionaarsete olekute energiad enne ja pärast kiirgust/neeldumist). Elektroni üleminek statsionaarselt orbiidiarvult m statsionaarsele orbiidiarvule n vastab aatomi üleminekule energiaga olekust Em olekusse energiaga En (joon. 1).

Joonis 1. Bohri postulaatide seletuse juurde

рEn>Em toimub footonite emissioon (aatomi üleminek kõrgema energiaga olekust madalama energiaga olekusse, st elektroni üleminek tuumast kaugemal asuvalt orbiidilt lähemale), En.<Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот kvantsiirdeid ja määrab aatomi joonspektri. Bohri teooria selgitas suurepäraselt eksperimentaalselt vaadeldud vesiniku joonspektrit. Vesinikuaatomi teooria edu saavutati klassikalise mehaanika aluspõhimõtetest loobumise hinnaga, mis on jäänud tingimusteta kehtima üle 200 aasta. Seetõttu oli suur tähtsus Bohri postulaatide, eriti esimese – statsionaarsete olekute – paikapidavuse otsesel eksperimentaalsel tõestamisel. Teist postulaati võib pidada energia jäävuse seaduse ja footonite olemasolu hüpoteesi tagajärjeks. Saksa füüsikud D. Frank ja G. Hertz, uurides aeglustava potentsiaali meetodil (1913) elektronide kokkupõrget gaasiaatomitega, kinnitasid katseliselt statsionaarsete olekute olemasolu ja aatomienergia väärtuste diskreetsust. Vaatamata Bohri kontseptsiooni kahtlemata edule seoses vesinikuaatomiga, mille jaoks osutus võimalikuks konstrueerida kvantitatiivne spektriteooria, ei õnnestunud selle põhjal luua sarnast teooriat heeliumi aatomi kohta vesiniku kõrval. Bohri ideedest. Heeliumi aatomi ja keerukamate aatomite kohta võimaldas Bohri teooria teha ainult kvalitatiivseid (ehkki väga olulisi) järeldusi. Idee teatud orbiitidest, mida mööda elektron Bohri aatomis liigub, osutus väga tingimuslikuks. Tegelikult on elektronide liikumisel aatomis vähe ühist planeetide liikumisega orbiidil. Praegu on kvantmehaanika abil võimalik vastata paljudele küsimustele mis tahes elemendi aatomite ehituse ja omaduste kohta.

III. Aatomituuma ehitus

Aatomituuma ehitus

Nukleoni tase

Umbes 20 aastat pärast seda, kui Rutherford oma tuuma aatomi sügavuses "avastas", avastati neutron - osake, mis on kõigis omadustes sama, mis vesinikuaatomi tuum - prooton, kuid ainult ilma elektrilaenguta. Neutron osutus äärmiselt mugavaks tuumade sisemuse uurimiseks. Kuna see on elektriliselt neutraalne, siis tuuma elektriväli seda ei tõrju – vastavalt võivad ka aeglased neutronid kergesti läheneda tuumale vahemaadel, mil tuumajõud hakkavad avalduma. Pärast neutroni avastamist liikus mikromaailma füüsika hüppeliselt edasi.

Varsti pärast neutroni avastamist püstitasid kaks teoreetilist füüsikut – sakslane Werner Heisenberg ja nõukogude Dmitri Ivanenko – hüpoteesi, et aatomituum koosneb neutronitest ja prootonitest. Sellel põhineb tänapäevane arusaam tuuma ehitusest.

Prootoneid ja neutroneid ühendab sõna nukleon. Prootonid on elementaarosakesed, mis on kõige kergema keemilise elemendi - vesiniku - aatomite tuumad. Prootonite arv tuumas on võrdne elemendi aatomnumbriga perioodilisustabelis ja tähistatakse Z-ga (neutronite arv - N). Prootonil on positiivne elektrilaeng, mis on absoluutväärtuselt võrdne elementaarse elektrilaenguga. See on ligikaudu 1836 korda raskem kui elektron. Prooton koosneb kahest üles-kvargist laenguga Q = + 2/3 ja ühest d-kvargist Q = – 1/3, mis on ühendatud gluooniväljaga. Selle lõplikud mõõtmed on suurusjärgus 10-15 m, kuigi seda ei saa ette kujutada tahke pallina, pigem meenutab see häguse piiriga pilve, mis koosneb sündinud ja hävinud virtuaalosakestest.

Neutroni elektrilaeng on 0, selle mass on ligikaudu 940 MeV. Neutron koosneb ühest u-kvargist ja kahest d-kvargist. See osake on stabiilne ainult stabiilsete aatomituumade koostises, vaba neutron laguneb elektroniks, prootoniks ja elektroni antineutriinoks. Neutroni poolväärtusaeg (aeg, mis kulub poole esialgsest arvust neutronite lagunemiseks) on ligikaudu 12 minutit. Ainees eksisteerivad neutronid vabal kujul veelgi vähem aega, kuna need neelduvad tuumades tugevalt. Nagu prooton, osaleb neutron igat tüüpi interaktsioonides, sealhulgas elektromagnetilistes: üldise neutraalsusega eksisteerivad selles oma keerulise sisestruktuuri tõttu elektrivoolud.

Tuumas on nukleonid seotud spetsiaalse jõuga - tuumaga. Nende üheks iseloomulikuks tunnuseks on lühitoimelisus: suurusjärgus 10-15 m või vähemal kaugusel ületavad nad kõik muud jõud, mille tulemusena ei lenda nukleonid laiali sarnase laenguga prootonite elektrostaatilise tõuke mõjul. . Suurtel vahemaadel vähenevad tuumajõud väga kiiresti nullini.

Tuumajõudude toimemehhanism põhineb samal põhimõttel kui elektromagnetilistel jõududel – interakteeruvate objektide vahetusel virtuaalsete osakestega.

Virtuaalosakesed on kvantteoorias osakesed, millel on samad kvantarvud (spinn, elektri- ja barüonlaengud jne) mis vastavatel reaalosakestel, kuid mille puhul tavapärane energia, impulsi ja massi seos ei kehti.

IV. Rutherfordi katsed

Magnetväljas laguneb radioaktiivse kiirguse voog kolmeks komponendiks: alfa-, beeta- ja gammakiirguseks.

Radioaktiivsuse nähtus näitas aatomi keerulist struktuuri

Järeldus

Kokkuvõttes jõuame järeldusele, et Rutherford-Bohri kontseptsioon on juba enamat kui absoluutse tõe osakesed, kuigi füüsika edasine areng on paljastanud selles kontseptsioonis palju vigu. Veelgi suurem osa absoluutselt õigetest teadmistest sisaldub aatomi kvantmehhaanilises teoorias.

Aatomi keeruka struktuuri avastamine oli füüsikas suur sündmus, kuna klassikalise füüsika ideed aatomitest kui aine tahketest ja jagamatutest struktuuriüksustest lükati ümber.

Laserid

Spektrid

Pideva spektri vesiniku emissioonispekter vesiniku neeldumisspekter

Kreeka keelest tõlgitud sõna "aatom" tähendab "jagamatut". Pikka aega, kuni 20. sajandi alguseni, tähendas aatom aine väikseimaid jagamatuid osakesi. 20. sajandi alguseks. Teadus on kogunud palju fakte, mis näitavad aatomite keerulist struktuuri.

Suur edasiminek aatomite struktuuri uurimisel saavutati inglise teadlase Ernest Rutherfordi katsetes alfaosakeste hajumise kohta õhukeste ainekihtide läbimisel. Nendes katsetes suunati õhukesele kuldfooliumile kitsas radioaktiivse aine eraldunud α-osakeste kiir. Fooliumi taha asetati ekraan, mis oli võimeline kiirete osakeste mõjul helendama. Leiti, et enamik α-osakesi kaldub pärast fooliumi läbimist sirgjoonelisest levikust kõrvale, see tähendab, et nad on hajutatud ja mõned α-osakesed paiskuvad üldiselt tagasi. Rutherford selgitas α-osakeste hajumist sellega, et positiivne laeng ei jaotu ühtlaselt 10 -10 m raadiusega kuulis, nagu varem eeldati, vaid on koondunud aatomi keskossa – aatomituuma. Tuuma lähedalt möödudes tõrjutakse sellest positiivse laenguga a-osake, mis tuuma tabades paiskub vastupidises suunas tagasi. Nii käituvad ühesuguse laenguga osakesed, seega on aatomi keskne positiivselt laetud osa, kuhu on koondunud märkimisväärne aatomi mass. Arvutused näitasid, et katsete selgitamiseks on vaja võtta aatomituuma raadiuseks ligikaudu 10 -15 m.

Rutherford väitis, et aatom oli üles ehitatud nagu planeedisüsteem. Rutherfordi aatomi ehitusmudeli olemus on järgmine: aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, millesse on koondunud kogu mass, elektronid pöörlevad ümber tuuma ringikujulistel orbiitidel suurte vahemaade tagant (nagu planeedid). ümber Päikese). Tuuma laeng langeb kokku keemilise elemendi numbriga perioodilisustabelis.

h on Plancki konstant.

1. Sõna „atom” tähendab kreeka keelest tõlgituna „jagamatut”. Pikka aega, kuni 20. sajandi alguseni, tähendas aatom aine väikseimaid jagamatuid osakesi. 20. sajandi alguseks. Teadus on kogunud palju fakte, mis näitavad aatomite keerulist struktuuri.

Suured edusammud aatomite ehituse uurimisel saavutati inglise teadlase Ernest Rutherfordi katsetes alfaosakeste hajumise kohta õhukeste ainekihtide läbimisel. Nendes katsetes suunati kitsas radioaktiivse aine kiiratud alfaosakeste kiir õhukesele kuldfooliumile. Fooliumi taha asetati ekraan, mis oli võimeline kiirete osakeste mõjul helendama. Leiti, et suurem osa α-osakesi kaldub pärast fooliumi läbimist sirgjoonelisest levikust kõrvale, st hajuvad ja mõned α-osakesed paiskuvad üldiselt tagasi. Rutherford selgitas alfaosakeste hajumist sellega, et positiivne laeng ei jaotu ühtlaselt 10^~10 m raadiusega kuulis, nagu varem eeldati, vaid on koondunud aatomi keskossa – aatomituuma. Tuuma lähedalt möödudes tõrjutakse sellest positiivse laenguga a-osake, mis tuuma tabades paiskub vastupidises suunas tagasi. Nii käituvad ühesuguse laenguga osakesed, seega on aatomi keskne positiivselt laetud osa, kuhu on koondunud märkimisväärne aatomi mass. Arvutused näitasid, et katsete selgitamiseks on vaja võtta aatomituuma raadiuseks ligikaudu 10^~15 m.

Rutherfordi aatomi ehituse planetaarmudel ei suutnud seletada mitmeid üldtuntud fakte: laenguga elektron peab Coulombi tõmbejõudude mõjul tuumale langema ja aatom on stabiilne süsteem; Ringikujulisel orbiidil liikudes tuumale lähenedes peab aatomis olev elektron kiirgama kõigi võimalike sagedustega elektromagnetlaineid, st kiirgav valgus peab olema pideva spektriga, kuid praktikas on tulemus erinev: aatomite elektronid kiirgavad valgust. millel on joonspekter. Taani füüsik Nielier Bohr oli esimene, kes püüdis lahendada aatomistruktuuri planetaarse tuumamudeli vastuolusid.

Bohr rajas oma teooria kahele postulaadile. Esimene postulaat: aatomisüsteem saab olla ainult erilistes statsionaarsetes või kvantseisundites, millest igaühel on oma energia; statsionaarses olekus aatom ei kiirga.See tähendab, et elektron (näiteks vesinikuaatomis) võib paikneda mitmel täpselt määratletud orbiidil. Iga elektroni orbiit vastab väga spetsiifilisele energiale.

Teine postulaat: üleminekul ühest paigalseisundist teise kiirgab või neeldub elektromagnetkiirguse kvant. Footoni energia võrdub aatomi energiate vahega kahes olekus: , kus

h on Plancki konstant.

Kui elektron liigub lähedalasuvalt orbiidilt kaugemale, neelab aatomisüsteem energiakvanti. Kui elektron liigub kaugemalt orbiidilt tuuma suhtes lähemale, kiirgab aatomisüsteem energiakvanti.

Teaduses usuti väga pikka aega, et aatom on aine väikseim, JAGAMATU osake.

1. Esimene, kes neid ideid rikkus, oli Thomson: ta uskus, et aatom on omamoodi positiivne aine, millesse elektronid on segatud "nagu rosinad tassikoogis". Selle teooria tähtsus seisneb selles, et aatomit ei tunnistatud enam jagamatuks
2. Rutherford viis läbi alfaosakeste hajumise katse. Raskeid elemente (kuldfoolium) pommitati radioaktiivse materjaliga. Rutherford lootis näha helendavaid ringe, kuid ta nägi hõõguvaid rõngaid.
Rutherfordi seletus: Aatomi keskpunkt sisaldab kogu positiivset laengut ja elektronid ei mõjuta alfaosakeste voolu.
3. Vesinikuaatomi planetaarmudel BORU järgi	Väljastades osa energiast (nähtav), annab aatom ainult oma lainepikkuste komplekti – spektri. Spektri tüübid: 1. Kiirguse (emissiooni) spekter: (antud kuumutatud kehade poolt) a) Tahked - esitage kõik aatomid tahkes, vedelas või tihedas gaasis b) Vooderdatud - anda aatomid gaasilises olekus 1. Neeldumisspekter: kui valgus lastakse läbi aine, siis see aine neelab täpselt neid laineid, mida ta kuumutatuna kiirgab (pidevale spektrile ilmuvad tumedad triibud) Spektraalanalüüs on meetod aine keemilise koostise määramiseks selle emissiooni- või neeldumisspektri järgi. Meetod põhineb sellel, et igal keemilisel elemendil on oma lainepikkuste komplekt. Spektraalanalüüsi rakendamine: kriminoloogias, meditsiinis, astrofüüsikas. Spektrograaf on seade spektraalanalüüsi tegemiseks. Spektroskoop erineb spektrograafist selle poolest, et seda saab kasutada mitte ainult spektrite vaatlemiseks, vaid ka spektrist foto tegemiseks. Pilet nr 21 1. Termodünaamiline lähenemine füüsikaliste nähtuste uurimisele. Sisemine energia ja viisid selle muutmiseks. Termodünaamika esimene seadus. Termodünaamika esimese seaduse rakendamine isotermilistes, isohoorilistes ja adiabaatilistes protsessides. 2. Aatomituuma ehituse mudelid; tuumajõud; tuuma nukleoni mudel; tuuma siduv energia; tuumareaktsioonid. 1. Igal kehal on väga spetsiifiline struktuur, see koosneb osakestest, mis liiguvad kaootiliselt ja interakteeruvad üksteisega, seetõttu on igal kehal siseenergia. Siseenergia on keha enda olekut iseloomustav suurus, st süsteemi mikroosakeste kaootilise (termilise) liikumise energia. (molekulid, aatomid, elektronid, tuumad jne) ja nende osakeste vastasmõju energia. Monatoomilise ideaalgaasi siseenergia määratakse valemiga U = 3/2 t/M RT. Keha siseenergia saab muutuda ainult selle koosmõjul teiste kehadega. Siseenergia muutmiseks on kaks võimalust: soojusülekanne ja mehaaniline töö (näiteks kuumutamine hõõrdumisel või kokkusurumisel, jahutamine paisumisel). Soojusülekanne on siseenergia muutus ilma tööd tegemata: energia kandub üle kuumenenud kehadelt vähem kuumutatud kehadele. Soojusülekannet on kolme tüüpi: soojusjuhtivus (energia otsene vahetus interakteeruvate kehade või sama kehaosade kaootiliselt liikuvate osakeste vahel); konvektsioon (energia ülekanne vedeliku või gaasi voogudega) ja kiirgus (energia ülekanne elektromagnetlainete abil). Soojusülekande ajal ülekantava energia mõõt on soojushulk (Q). Need meetodid on kvantitatiivselt kombineeritud energia jäävuse seadusesse, mis soojusprotsesside puhul kõlab järgmiselt: suletud süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemi ülekantava soojushulga ja välise töö summaga. süsteemile mõjuvad jõud. , kus on siseenergia muutus, Q on süsteemile ülekantud soojushulk, A on välisjõudude töö. Kui süsteem ise teeb töö ära, siis on see tinglikult tähistatud A. Siis saab soojusprotsesside energia jäävuse seaduse, mida nimetatakse termodünaamika esimeseks seaduseks, kirjutada järgmiselt: , s.o. süsteemi ülekantav soojushulk läheb süsteemi poolt töö tegemiseks ja selle siseenergia muutmiseks. Isobaarsel kuumutamisel töötab gaas välisjõududele, kus V1 ja V2 on gaasi alg- ja lõppmaht. Kui protsess ei ole isobaarne, saab töö mahu määrata ABCD joonise pindala järgi, mis jääb sõltuvust p(V) väljendava joone ning gaasi alg- ja lõppmahu V vahele. Vaatleme termodünaamika esimese seaduse rakendamist isoprotsessidele, mis toimuvad ideaalse gaasiga. Isotermilise protsessi korral on temperatuur konstantne, seetõttu siseenergia ei muutu. Siis saab termodünaamika esimese seaduse võrrand järgmise kuju: st süsteemile ülekantud soojushulk läheb isotermilise paisumise käigus tööd tegema, mistõttu temperatuur ei muutu. Isobaarses protsessis gaas paisub ja gaasile ülekantav soojushulk läheb selle siseenergia suurendamiseks ja töö tegemiseks: . Isohoorilise protsessi käigus gaas oma mahtu ei muuda, mistõttu temaga tööd ei tehta, st A = 0 ja esimese seaduse võrrand on kujuga , st ülekantud soojushulk läheb sisemist suurendama. gaasi energia. Adiabaatiline on protsess, mis toimub ilma soojusvahetuseta keskkonnaga. Q = 0, seega, kui gaas paisub, vähendab see oma siseenergiat, mistõttu gaas jahtub Adiabaatilist protsessi kujutavat kõverat nimetatakse adiabaatiliseks. 2. Aatomi tuuma koostis. Tuumajõud. Aatomituuma massidefekt ja sidumisenergia. Tuumareaktsioonid. Tuumaenergia. Mis tahes aine aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest. (Prootonite ja neutronite üldnimetus on nukleonid.) Prootonite arv võrdub tuuma laenguga ja ühtib perioodilisuse tabeli elemendi numbriga. Prootonite ja neutronite arvu summa on võrdne massiarvuga. Näiteks hapnikuaatomi tuum koosneb 8 prootonist ja 16 - 8 = 8 neutronist. Aatomi tuum koosneb 92 prootonist ja 235 - 92 = 143 neutronist. Jõud, mis hoiavad tuumas prootoneid ja neutroneid, nimetatakse tuumajõud*. See on kõige võimsam suhtlusviis. Inglise füüsik James Chadwick avastas 1932. aastal null elektrilaenguga ja ühikulise massiga osakesed. Neid osakesi nimetati neutroniteks. Neutronit tähistatakse numbriga n. Pärast neutroni avastamist esitasid füüsikud D. D. Ivanenko ja W. Heisenberg 1932. aastal aatomituuma prooton-neutron mudeli. Selle mudeli järgi koosneb mis tahes aine aatomi tuum prootonitest ja neutronitest. (Prootonite ja neutronite üldnimetus on nukleonid.) Prootonite arv võrdub tuuma laenguga ja ühtib perioodilisuse tabeli elemendi numbriga. Prootonite ja neutronite arvu summa on võrdne massiarvuga. Näiteks hapnikuaatomi tuum koosneb 8 prootonist ja 16 - 8 = 8 neutronist. Aatomi tuum koosneb 92 prootonist ja 235 - 92 = 143 neutronist. Keemilisi aineid, mis asuvad perioodilisustabelis samal kohal, kuid millel on erinev aatommass, nimetatakse isotoopideks. Isotooptuumad erinevad neutronite arvu poolest. Näiteks vesinikul on kolm isotoopi: prootium - tuum koosneb ühest prootonist, deuteerium - tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist, triitium - tuum koosneb ühest prootonist ja kahest neutronist. Kui võrrelda tuumade masse nukleonide massidega, siis selgub, et raskete elementide tuuma mass on suurem kui tuumas olevate prootonite ja neutronite masside summa ning kergete elementide puhul tuuma mass. on väiksem kui tuumas olevate prootonite ja neutronite masside summa. Seetõttu on tuuma massi ja prootonite ja neutronite masside summa vahel massivahe, mida nimetatakse massidefektiks. M = Mn- (Mp + Mn). Kuna massi ja energia vahel on seos, siis raskete tuumade lõhustumisel ja kergete tuumade sünteesil peab vabanema energia, mis eksisteerib massidefekti tõttu ja seda energiat nimetatakse aatomituuma sidumisenergiaks. Selle energia vabanemine võib toimuda tuumareaktsioonide käigus. Tuumareaktsioon on tuuma laengu ja selle massi muutumise protsess, mis toimub tuuma vastasmõjul teiste tuumade või elementaarosakestega. Tuumareaktsioonide toimumisel on täidetud elektrilaengute ja massiarvude jäävuse seadused: tuumareaktsiooni sisenevate tuumade ja osakeste laengute (massiarvude) summa on võrdne tuumalaengute (massiarvude) summaga. reaktsiooni lõppsaadused (tuumad ja osakesed). Lõhustumisahelreaktsioon on tuumareaktsioon, milles reaktsiooni põhjustavad osakesed tekivad reaktsiooni produktidena. Keti arendamise vajalik tingimus

Klassikalised katsed aatomi struktuuri uurimisel viis läbi Sir Ernest Rutherford 1911. aastal. Rutherford viis läbi katsed, et uurida alfaosakeste hajumist õhukeste metallfooliumi lehtede poolt. Löök aatomitele viidi läbi, pommitades neid massiivsete osakeste kiirega. Eksperimentaalne diagramm on näidatud joonisel fig. 1.

Õhuke kuldfoolium F (fooliumi paksus oli umbes 10-7 m, sellele asetati umbes 400 aatomit) asetati sfäärilise ekraani E sisse. Läbi ekraani ava kiirgas radioaktiivse aine kiirgav kiir alfaosakesi. pliimahutis sisalduv ravim langes risti plaadile R. Alfaosakesed on täielikult ioniseeritud heeliumi aatom massiga 4,0015 amü. ja laeng on võrdne + 2e

(e on elementaarelektrilaengu väärtus). Alfaosakese kiirus oli suurusjärgus 10 7 m/s, energia 4,05 MeV. Kui fooliumi paksus on väike, on alfaosakeste kokkupõrge peaaegu ühekordne, s.t. iga osake põrkab ainult ühe aatomiga, muutes oma lennu suunda.

Ekraani siseseinad olid kaetud fosforiga – ainega, milles alfaosakeste pihta sattus sähvatus. See võimaldas registreerida M-seadmega alfaosakesi, mis olid hajutatud aatomite poolt algsest suunast erinevate nurkade all θ. Alfaosakeste hajumise katsed võimaldasid tuvastada järgmised mustrid.

1. Valdav enamus alfaosakesi läbib fooliumi peaaegu vabalt: need ei kaldu kõrvale ega kaota energiat.

2. Ainult väike osa osakestest (≈ 0,01%, see tähendab üks kümnetuhandik) pöördus tagasi, st muutis liikumissuunda nurga võrra, mis oli suurem kui 90 kraadi.

Rutherfordi katsete tulemusi saab selgitada eeldusel, et kogu positiivne laeng ja peaaegu kogu aatomi mass on koondunud aatomi väikesesse piirkonda - tuuma, mille mõõtmed on umbes 10 -14 m. laetud elektronid liiguvad ümber tuuma tohutul (tuumaga võrreldes) alal, mille suurus on umbes 10-10 m.

See oletus on aluseks aatomi tuumamudel, mida nimetatakse ka planetaarseks. Elektronide arv aatomis on võrdne elemendi aatomnumbriga Mendelejevi perioodilisustabelis. Lisaks näidati, et elektrone tuumaga ühendavad jõud alluvad Coulombi seadusele.

Tuumamudel on aga vastuolus klassikalise elektrodünaamika seadustega. Tegelikult, kui elektron on aatomis puhkeasendis, peab see Coulombi tõmbejõu mõjul tuumale langema. Kui elektron tiirleb ümber tuuma, peaks see kiirgama elektromagnetvälja. Samal ajal kaotab see kiirguse kaudu oma energiat, liikumiskiirus väheneb ja elektron peab lõpuks langema tuumale. Aatomite emissioonispektrid peaksid sel juhul olema pidevad ja aatomi eluiga ei tohiks ületada 10-7 s. Tegelikult on aatomid stabiilsed ja aatomite emissioonispektrid on diskreetsed.