أفلام وثائقية تعليمية. سلسلة "الفيزياء".
في الربع الأول من القرن العشرين، ثبت أن الذرة تتكون من نواة موجبة الشحنة وقذيفة إلكترونية تحيط بها. الأبعاد الخطية للنواة هي في حدود 10"13-10"12 سم. أبعاد الذرة نفسها*، التي يحددها الغلاف الإلكتروني، أكبر بحوالي 105 مرات. ومع ذلك، فإن كتلة الذرة بأكملها تقريبًا (99.95٪ على الأقل) تتركز في النواة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات "ثقيلة"، ويتكون الغلاف الإلكتروني من إلكترونات "خفيفة" فقط (mp - 1836.15me، mp = 1838.68me). عدد الإلكترونات في غلاف الذرة المحايدة يساوي شحنة النواة، إذا اعتبرت الشحنة الأولية واحدة (أي شحنة الإلكترون بالقيمة المطلقة). لكن الغلاف الإلكتروني يمكن أن يفقد أو يكتسب إلكترونات. وبعد ذلك تصبح الذرة مشحونة كهربائيا، أي أنها تتحول إلى أيون موجب أو سالب.
يتم تحديد الخواص الكيميائية للذرة من خلال الغلاف الإلكتروني، أو بشكل أكثر دقة، من خلال إلكتروناتها الخارجية. ترتبط هذه الإلكترونات بالذرة بشكل ضعيف نسبيًا، وبالتالي فهي أكثر عرضة للتأثيرات الكهربائية من الإلكترونات الخارجية للذرات المجاورة. وينطبق الشيء نفسه على قوى الجذب أو التنافر بين الذرات والجزيئات المحايدة (القوى الجزيئية). وفي المقابل، ترتبط البروتونات والنيوترونات بإحكام داخل النواة. للتأثير على النواة، هناك حاجة إلى قوى أكبر بملايين المرات من تلك التي تكفي لتمزيق الإلكترونات الخارجية للذرة. ومع ذلك، فإن بنية وخصائص الغلاف الإلكتروني يتم تحديدها في النهاية بواسطة المجال الكهربائي للنواة الذرية.
إذا كان النموذج المقدم للذرة يتوافق مع الواقع، فيجب أن تكون الذرة شفافة للغاية بالنسبة للجزيئات التي تخترقها. بالنسبة لشعاع الإلكترون تم إنشاء هذا بواسطة لينارد. ومع ذلك، فإن الدليل التجريبي النهائي لهذا النموذج الذري قدمه رذرفورد (1871-1937) في عام 1911. لذلك، يطلق عليه بحق نموذج رذرفورد. بناءً على اقتراح وتوجيهات رذرفورد، قام طلابه جيجر ومارسدن (1889-1970) بدراسة كمية لتشتت جسيمات ألفا المنبعثة من المواد المشعة. في تجاربهم، تم توجيه شعاع متوازي من جسيمات ألفا في الفراغ إلى رقاقة معدنية رقيقة وتناثرت بها. تم استخدام طريقة بصرية لتسجيل جزيئات ألفا المتناثرة. عند اصطدام شاشة الفلورسنت المصنوعة من كبريتيد الزنك، ترك جسيم ألفا وميضًا (ترقُّبًا) عليها. يمكن ملاحظة التلألؤ الفردي في الظلام من خلال عدسة مكبرة أو مجهر. وقام المجربون بإحصاء مثل هذه الومضات.
وتبين أن العدد الهائل من جسيمات ألفا كانت متناثرة في زوايا صغيرة تتراوح بين 1-3 درجات. تم وصف التوزيع الزاوي لهذه الجسيمات جيدًا بواسطة منحنى الخطأ العشوائي الغوسي (1777-1855). ومع ذلك، فقد لوحظت أيضًا جسيمات ألفا الفردية، وهي تنحرف بزوايا كبيرة تصل إلى 150 درجة. وكان العدد النسبي لهذه الجزيئات لا يكاد يذكر. على سبيل المثال، عندما تمر حزمة من جسيمات ألفا من RaC عبر رقائق البلاتين، من بين 8000 جسيم ساقط، في المتوسط، ينحرف جسيم واحد فقط بزاوية أكبر من 90 درجة. ولكن حتى هذا سيكون أكثر من اللازم إذا نشأت انحرافات كبيرة نتيجة لتراكم العديد من الانحرافات العشوائية.
استنتج رذرفورد أن كل انحراف كبير يظهر نتيجة لتفاعل واحد لمركز قوة نقطي عمليًا مع جسيم ألفا قريب. نواة الذرة المشحونة إيجابيا هي مركز القوة. وجسيم ألفا نفسه هو أيضًا نواة ذرية، أي نواة ذرة الهيليوم. وهذا ما تؤكده حقيقة أنه يمكن الحصول على جسيم ألفا نتيجة التأين المزدوج لذرة الهيليوم، كما تم إثباته سابقًا بواسطة نفس رذرفورد. يؤدي التفاعل الكهروستاتيكي بين هاتين النواتين إلى تشتت جسيمات ألفا بزوايا كبيرة.
تم تأكيد ما ورد أعلاه من خلال صور مسارات جسيمات ألفا في غرفة السحابة. عادةً لا تختلف نهاية مسار جسيم ألفا بأي شكل من الأشكال. ولكن في بعض الأحيان يتم ملاحظة مسارات تنتهي بفواصل و"شوكات". نتيجة الاصطدام، يتغير اتجاه حركة جسيم ألفا بشكل حاد، وتترك النواة التي بدأت الحركة مسارًا جديدًا، والذي شكل مع مسار جسيم ألفا نفسه "شوكة".
كما طور رذرفورد نظرية كمية لتشتت جسيمات ألفا. في هذه النظرية، يتم تطبيق قانون كولوم على تفاعل جسيم ألفا مع النواة. هذه، بالطبع، فرضية، حيث يمكن لجسيم ألفا أن يقترب من النواة على مسافات تتراوح من 10 إلى 12 سم، وفي مثل هذه المسافات لم يتم اختبار قانون كولومب تجريبيًا. بالطبع، حركة جسيم ألفا في مجال النواة كانت تعتبر بشكل كلاسيكي من قبل رذرفورد. وأخيرًا، يُفترض أن كتلة النواة كبيرة مقارنة بكتلة جسيم ألفا، بحيث يمكن اعتبار النواة ثابتة. من السهل التخلص من الافتراض الأخير عن طريق استبدال كتلة جسيم ألفا بالكتلة المخفضة.
في تجارب رذرفورد، تم استخدام رقائق معدنية رفيعة جدًا يبلغ سمكها حوالي 10"5-10"4 سم. في مثل هذه الحالات، عند التشتت بزوايا كبيرة، كان من الممكن تجاهل الاصطدامات المتعددة لجسيم ألفا مع النوى الذرية. إن احتمال حدوث اصطدامات مزدوجة أو حتى متعددة مع انحرافات كبيرة لا يكاد يذكر. إن احتمال التشتت في زوايا كبيرة وعلى الإلكترونات لا يكاد يذكر بسبب صغر كتلتها. تلعب الاصطدامات المتعددة مع النوى والإلكترونات ذات الأغلفة الذرية دورًا فقط عند زوايا تشتت صغيرة جدًا، ومع الأخذ في الاعتبار تفاعل جسيم ألفا مع نواة واحدة فقط يقترب منها جسيم ألفا بشكل أقرب، نصل إلى مشكلة الجسمين من جميع النوى الأخرى، وبالتالي يتم إهمال التفاعل معها. وبالتالي، فإن نظرية رذرفورد قابلة للتطبيق على الانحرافات الكبيرة عندما يكون الانحراف ناتجًا فقط عن المجال الكهربائي لنواة واحدة، بحيث يتم مقارنة هذا الانحراف بجميع الانحرافات الأخرى لا تذكر. يسمى التشتت المقابل بتشتت رذرفورد. وهو مرن بمعنى أن الطاقة الحركية لجسيم ألفا لا تتغير نتيجة للتشتت، أي. لا يضيع في إثارة الذرات، ناهيك عن النوى الذرية.
إن المشكلة المصاغة تشبه رسميًا مسألة كبلر (1571-1630) حول حركة كوكب حول الشمس. وهنا وهناك تكون قوة التفاعل بين الأجسام مركزية وتتغير تناسبا عكسيا مع مربع المسافة بينهما. في حالة الكوكب، هذه هي قوة الجذب، وفي حالة جسيم ألفا، هي قوة التنافر. يتجلى هذا في حقيقة أن الكوكب (اعتمادًا على إجمالي طاقته) يمكنه التحرك على طول القطع الناقص والقطع الزائد، لكن جسيم ألفا يمكنه التحرك فقط على طول القطع الزائد. ولكن في الحسابات الرياضية هذا لا يهم. زاوية الانتثار لجسيم ألفا û تساوي الزاوية بين الخطوط المقاربة لمساره الزائدي.
تم الحصول على صيغة لذلك:
هنا m هي كتلة جسيم α، وv هي سرعته عند "اللانهاية"، أي. بعيدًا عن النواة، Ze هي شحنة النواة، 2e هي شحنة جسيم ألفا، تساوي ضعف الشحنة الأولية e (الرقم Z يسمى رقم شحنة النواة. من أجل الإيجاز، غالبًا ما يطلق عليها ببساطة شحنة النواة، مما يعني أن الشحنة الأولية e تؤخذ كواحدة.) تشير B إلى مسافة الهدف، أي. طول العمودي الذي ينخفض من النواة إلى المسار المستقيم غير المضطرب لجسيم ألفا (أو، وهو نفس الشيء، على مماس المسار الحقيقي عندما يكون جسيم ألفا بعيدًا بشكل لا نهائي عن النواة).
بالطبع، ليست الصيغة نفسها هي التي يمكن الوصول إليها للتحقق التجريبي في مجال الظواهر الذرية، ولكن العواقب الإحصائية الناتجة عنها. دعونا نقدم ما يسمى بالمقطع العرضي التفاضلي الفعال للتشتت. دعونا نشير بواسطة أناشدة شعاع جسيمات ألفا الموازي للمستوى الساقط على النواة، أي عدد جسيمات α من الحزمة التي تمر لكل وحدة زمنية عبر وحدة مساحة متعامدة مع التدفق. من هذا الرقم، يمر d عبر المنطقة الأولية، بشكل عمودي أيضًا على التدفق ن 1 =أناتفعل جسيمات ألفا. بعد التشتت، تقع هذه الجسيمات في الزاوية الصلبة الأولية dΩ. وبطبيعة الحال، يتم تحديد حجم الزاوية الصلبة dΩ واتجاه محورها من خلال حجم المنطقة وموضعها. ولذلك د ن 1 له أيضًا معنى عدد جسيمات ألفا المنتشرة بواسطة النواة لكل وحدة زمنية في زاوية صلبة dΩ. النسبة د ن1ل أنايساوي القيام به وله البعد المساحة. وهذا ما يسمى المقطع العرضي التفاضلي الفعال للنواة لتشتت جسيمات ألفا في الزاوية الصلبة dΩ. لا ينطبق هذا المفهوم على تشتت جسيمات ألفا فحسب، بل ينطبق أيضًا على أي جسيمات، بالإضافة إلى العمليات الأخرى التي تحدث مع الجسيمات. وهكذا، بحكم التعريف أي. المقطع العرضي التفاضلي الفعال للتشتت هو نسبة عدد الجسيمات المنتشرة بواسطة الذرة لكل وحدة زمنية لكل زاوية صلبة dΩ إلى الكثافة أناالجسيمات المتساقطة. وهكذا، بحكم التعريف أي. المقطع العرضي التفاضلي الفعال للتشتت هو نسبة عدد الجسيمات، الذرات المتناثرة لكل وحدة زمنية لكل زاوية صلبة dΩ، إلى الكثافة أناالجسيمات المتساقطة.
دعونا الآن نحدد المقطع العرضي التفاضلي لتشتت جسيمات ألفا على نواة ذرية فردية. تكمن المشكلة في تحديد حجم المساحة التي يمر من خلالها جسيم ألفا، بعد التشتت، داخل الزاوية الصلبة المعطاة dΩ. لنأخذ كمحور X المسار المستقيم لجسيم ألفا الذي تتوافق معه مسافة التأثير b = O (مثل هذا الجسيم سيتعرض لاصطدام مباشر بالنواة). باستخدام التناظر الأسطواني، من أجل البساطة، نستبدل do بمساحة حلقية do = 2πbdb، متعامدة مع التدفق. نصف القطر الداخلي لهذه المنطقة يساوي b، ونصف القطر الخارجي هو b + db، ويقع المركز على المحور X. الفاصل الزمني b، b + db يتوافق مع الفاصل الزمني لزوايا التشتت û، û + dû،. ووفقا للصيغة
من خلال إدخال الزاوية الصلبة التي تنتشر فيها جسيمات ألفا التي تمر عبر المنطقة الحلقية، فمن السهل الحصول عليها
في هذا النموذج، تكون الصيغة صالحة لأي منطقة أولية، وليس فقط للحلقة. وتسمى صيغة رذرفورد.
دعونا نقدم مفهوم المقطع العرضي الكلي للتشتت أو بعض العمليات الأخرى. يتم تعريفها على أنها نسبة إجمالي عدد الجسيمات التي خضعت للعملية قيد النظر لكل وحدة زمنية إلى شدة شعاع الجسيمات الساقطة. يمكن الحصول على إجمالي المقطع العرضي ð من المقطع العرضي التفاضلي من خلال دمجه على جميع القيم الممكنة لـ dΩ. في حالة تشتت جسيمات ألفا، يجب أن تضع الصيغة أولاً dΩ = 2πsinðdð، ثم تتكامل على المدى من ð = 0 إلى ð = n. وهذا يعطي ð = ∞. هذه النتيجة واضحة. كلما تمت إزالة المنطقة من المحور X، كلما كانت زاوية التشتت ð أصغر. الجسيمات التي تمر عبر المناطق النائية لا تنحرف عمليا، أي أنها تمر بالقرب من زاوية التشتت ð = 0. والمساحة الإجمالية لهذه المناطق، ومعها العدد الإجمالي للجزيئات المتناثرة، كبيرة بلا حدود. إجمالي المقطع العرضي للتشتت كبير أيضًا بشكل لا نهائي. ومع ذلك، فإن هذا الاستنتاج رسمي بطبيعته، لأنه عند زوايا التشتت الصغيرة لا تنطبق صيغة رذرفورد.
دعونا الآن نختصر الصيغة إلى نموذج يمكن الوصول إليه للتحقق التجريبي. إن أفعال تشتت جسيمات ألفا بواسطة ذرات مختلفة مستقلة. ويترتب على ذلك أنه إذا كان n هو عدد النوى (الذرات) لكل وحدة حجم، فإن عدد جسيمات α المنتشرة بالحجم V لكل وحدة زمنية في الزاوية الصلبة dΩ يتحدد بالتعبير
في هذا النموذج، تم تأكيد صيغة رذرفورد تجريبيا. على وجه الخصوص، فقد ثبت تجريبيًا أنه عندما يكون dΩ ثابتًا، تكون قيمة dN sin4 (ð/2) ثابتة، أي لا تعتمد على زاوية التشتت ð، كما ينبغي أن تكون وفقًا للصيغة.
يمكن اعتبار تأكيد صيغة رذرفورد تجريبيًا بمثابة دليل غير مباشر على قانون كولوم عند مسافات صغيرة مثل مراكز جسيم ألفا والنواة المتفاعلة معها. والدليل الآخر يمكن أن يكون تجارب بلاكيت (1897-1974) على تشتت جسيمات ألفا في الغازات. تم تصوير عدد كبير من مسارات جسيمات ألفا في غرفة سحابية، وتم قياس انحرافاتها الزاوية، وتم حساب تردد زوايا تشتت معينة. أكدت هذه التجارب أيضًا صيغة رذرفورد. لكن هدفهم الرئيسي كان اختبار قانون كولومب. وتبين أنه عند المسافات بين مراكز جسيم ألفا والنواة المتفاعلة في حالة الهواء من ما يصل إلى سم، وفي حالة الأرجون من ما يصل إلى سم، يتم تأكيد قانون كولوم تجريبيا. ولا يترتب على ذلك أن هذا القانون يسري على أي مسافة بين مراكز النوى المتفاعلة. أظهرت التجارب التي أجريت على التشتت المرن للنوى الخفيفة التي تم تسريعها بواسطة المسرعات، وكذلك على النوى الخفيفة ولكن الثابتة، أن انحرافات حادة عن قانون كولومب يتم ملاحظتها عندما تنخفض المسافة المشار إليها إلى سم أو أقل. في مثل هذه المسافات، تظهر قوى التجاذب النووي تأثيرها، متجاوزة قوى كولوم التنافرية للنواة.
يمكن تطبيق الصيغة لقياس الشحنة النووية. للقيام بذلك، تحتاج إلى قياس dN و أنا. بعد ذلك، يمكن حساب Z، حيث يمكن اعتبار جميع الكميات الأخرى في الصيغة معروفة. الصعوبة الرئيسية هي أن قيم dN و أنامختلفة جدا عن بعضها البعض. في التجارب الأولى، تم قياسها على منشآت مختلفة، أي في ظل ظروف مختلفة، مما أدى إلى أخطاء كبيرة. وفي تجارب تشادويك (1891-1974) تم القضاء على هذا النقص. كان للرقاقة المتناثرة شكل حلقة AA" (انظر الشكل)، وتم تركيب المستحضر المشع R (مصدر لجسيمات α) وشاشة الفلورسنت S المصنوعة من ZnS على محور الحلقة على مسافات متساوية منها .
لحساب الومضات الصادرة عن جسيمات ألفا المتناثرة بواسطة الرقائق، تمت تغطية الثقب الموجود في الحلقة "AA" بشاشة غير شفافة لجسيمات ألفا. على العكس من ذلك، لقياس أناتم حساب الومضات عندما كان الثقب حرا والحلقة "AA" مغلقة. وبما أن عدد الومضات في هذه الحالة كان كبيرا جدا، ولتقليله، تم تركيب قرص دوار بفتحة ضيقة أمام الشاشة S. معرفة الوميض عرض انقطاع وحساب عدد التلألؤ، يمكنك حساب أنا. وجد تشادويك Z = 77.4 للبلاتين، Z = 46.3 للفضة، و Z = 29.3 للنحاس. الأرقام الذرية أو التسلسلية لهذه العناصر في النظام الدوري لمندليف هي على التوالي 78، 47، 29. وهذا يؤكد النتيجة المعروفة بالفعل، والتي وضعها موسلي لأول مرة (1887-1915)، وهي أن شحنة النواة Z تتزامن مع الشحنة الذرية. رقم العنصر.
لنعد إلى نموذج الذرة بناءً على تجارب رذرفورد. هل يمكن للنواة الذرية والغلاف الإلكتروني المحيط بها أن يشكلا نظامًا مستقرًا، وهو ما تمثله الذرة بلا شك؟ إذا كان هذا ممكنًا، فلا يمكن أن تكون هذه الجسيمات في حالة سكون. وإلا فإن النتيجة ستكون نظامًا كهروستاتيكيًا من الشحنات النقطية (عمليًا)، والتي تؤثر فيها قوى كولوم، ومثل هذا النظام، وفقًا لنظرية إيرنشو، غير مستقر. تتغير قوى كولوم عكسيا مع مربع المسافة بين الجسيمات المتفاعلة. لكن قوى الجاذبية بين أجسام النظام الكوكبي تتغير أيضًا. يتم ضمان استقرار النظام الكوكبي من خلال دوران الكواكب حول الشمس. ولذلك، توصل رذرفورد بطبيعة الحال إلى النموذج الكوكبي للذرة، الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة.
ومع ذلك، وفقًا للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، عندما تتحرك شحنة ما، يتغير أيضًا المجال الكهرومغناطيسي، الذي مصدره الشحنة. وعلى وجه الخصوص، فإن الشحنة الكهربائية التي تتحرك بمعدل متسارع تبعث موجات كهرومغناطيسية. الإلكترون الدوار له تسارع، وبالتالي يجب أن يشع بشكل مستمر. بفقدان الطاقة للإشعاع، سيقترب الإلكترون باستمرار من النواة ويسقط عليها في النهاية. وهكذا، حتى في وجود الحركة، يتم الحصول على نموذج غير مستقر للذرة. يمكن للمرء أن يفترض أن قانون كولوم والقوانين الأخرى التي تحدد المجال الكهرومغناطيسي في الديناميكا الكهربائية تنتهك في حالة الجسيمات الأولية والمسافات الصغيرة. سيكون من الممكن أن نأخذ في الاعتبار القوى النووية ونقدم قوى افتراضية غير معروفة لنا تضمن استقرار الذرة. ولكن هذا لا ينقذ الوضع. مهما كانت القوى، وفقا للمبادئ العامة للميكانيكا الكلاسيكية، فإن الطيف الإشعاعي للذرة يجب أن يتكون من عدة ترددات أساسية ونغماتها المقابلة. تؤدي التجربة إلى نمط مختلف تمامًا، يتم التعبير عنه من خلال مبدأ الجمع الذي وضعه ريتز (1878-1909). وعلينا أن نعترف بأن الميكانيكا الكلاسيكية والديناميكا الكهربائية لم تكن قادرة على تفسير وجود الذرات كأنظمة مستقرة من النوى الذرية والإلكترونات. تم الحصول على حل هذه المشكلة فقط في إطار ميكانيكا الكم.
بعد عائلة كوري، بدأ العالم الإنجليزي إرنست رذرفورد في دراسة النشاط الإشعاعي. وفي عام 1899 أجرى تجربة لدراسة تركيب الإشعاع المشع. ما هي تجربة إي رذرفورد؟
تم وضع ملح اليورانيوم في اسطوانة الرصاص. ومن خلال ثقب ضيق جدًا في هذه الأسطوانة، اصطدم الشعاع بلوحة التصوير الفوتوغرافي الموجودة فوق هذه الأسطوانة.
في بداية التجربة لم يكن هناك مجال مغناطيسي. لذلك، فإن لوحة التصوير الفوتوغرافي، كما هو الحال في تجارب الزوجين كوري، وكما هو الحال في تجارب أ. بيكريل، كانت مضاءة عند نقطة واحدة. ثم تم تشغيل المجال المغناطيسي، وبطريقة يمكن أن يتغير حجم هذا المجال المغناطيسي. ونتيجة لذلك، عند وجود مجال مغناطيسي منخفض، تم تقسيم الشعاع إلى مكونين. وعندما أصبح المجال المغناطيسي أقوى، ظهرت بقعة مظلمة ثالثة. هذه البقع التي تشكلت على لوحة التصوير الفوتوغرافي كانت تسمى بأشعة a، وb، وg.
خصائص الأشعة المشعة
عمل كيميائي إنجليزي يُدعى سودي مع رذرفورد في مشكلة دراسة النشاط الإشعاعي. أجرى سودي ورذرفورد تجربة لدراسة الخواص الكيميائية لهذه الإشعاعات. أصبح من الواضح أن:
أ-الأشعة - تيار من نوى ذرات الهيليوم سريعة إلى حد ما،
ب-الأشعة هي في الواقع تيار من الإلكترونات السريعة،
ز-الأشعة - الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي التردد.
البنية المعقدة للذرة
اتضح أنه داخل النواة، داخل الذرة، تحدث بعض العمليات المعقدة التي تؤدي إلى مثل هذا الإشعاع. دعونا نتذكر أن كلمة "ذرة" نفسها المترجمة من اليونانية تعني "غير قابل للتجزئة". ومنذ عصر اليونان القديمة كان الجميع يعتقد أن الذرة هي أصغر جسيم من العنصر الكيميائي بكل خصائصه، وأصغر من هذا الجسيم لا يوجد في الطبيعة. ونتيجة لهذا الاكتشاف النشاط الإشعاعيوالانبعاث التلقائي للموجات الكهرومغناطيسية المختلفة والجسيمات الجديدة من النوى الذرية، يمكننا القول أن الذرة قابلة للقسمة أيضًا. تتكون الذرة أيضًا من شيء ما، ولها بنية معقدة.
خاتمة
قائمة الأدبيات الإضافية
1. برونشتاين م.ب. الذرات والإلكترونات. "مكتبة "كفانت"". المجلد. 1. م: ناوكا، 1980
2. كيكوين إ.ك.، كيكوين أ.ك. الفيزياء: كتاب مدرسي للصف التاسع الثانوي. م: "التنوير"
3. كيتايجورودسكي أ. الفيزياء للجميع. الفوتونات والنوى. الكتاب 4. م: العلوم
4. كوري P. أعمال علمية مختارة. م: العلم
5. مياكيشيف جي.يا.، سينياكوفا أ.ز. الفيزياء. البصريات فيزياء الكم. الصف الحادي عشر: كتاب مدرسي للدراسة المتعمقة للفيزياء. م: حبارى
6. نيوتن الأول. المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية. م: ناوكا، 1989
7. رذرفورد إي. أعمال علمية مختارة. النشاط الإشعاعي. م: العلم
8. رذرفورد إي. أعمال علمية مختارة. هيكل الذرة والتحول الاصطناعي للعناصر. م: العلم
9. سلوبوديانيوك أ. الفيزياء 10. الجزء 1. الميكانيكا. كهرباء
10. فيلاتوف إن. الفيزياء 9. الجزء 1. الكينماتيكا. VShMF "الطليعة"
11. أينشتاين أ.، إنفيلد إل. تطور الفيزياء. تطوير الأفكار من المفاهيم الأولية إلى النظرية النسبية والكمية. م: ناوكا، 1965
الموضوع: تركيب الذرة والنواة الذرية
الدرس 52. نماذج الذرات. تجربة رذرفورد
إريوتكين إيفجيني سيرجيفيتش
ناقشنا في الدرس السابق أن النشاط الإشعاعي ينتج أنواعًا مختلفة من الإشعاع: الأشعة أ، والأشعة ب، والأشعة جي. ظهرت أداة يمكن من خلالها دراسة بنية الذرة.
نموذج طومسون
بعد أن أصبح من الواضح أن الذرة لديها أيضا بنية معقدة، وهي منظمة بطريقة أو بأخرى بطريقة خاصة، كان من الضروري استكشاف بنية الذرة نفسها، وشرح كيفية تنظيمها، مما يتكون. وهكذا بدأ العلماء هذه الدراسة.
تم التعبير عن الأفكار الأولى حول البنية المعقدة من قبل طومسون، الذي اكتشف الإلكترون في عام 1897. في عام 1903، اقترح طومسون لأول مرة نموذجًا للذرة. وفقًا لنظرية طومسون، كانت الذرة عبارة عن كرة، حيث تم "تلطيخ" شحنة موجبة في كامل حجمها. وفي الداخل، مثل العناصر العائمة، كانت هناك إلكترونات. بشكل عام، وفقا لطومسون، كانت الذرة محايدة كهربائيا، أي. وكانت شحنة هذه الذرة تساوي 0. وكانت الشحنات السالبة للإلكترونات تعوض عن الشحنة الموجبة للذرة نفسها. كان حجم الذرة حوالي 10-10 م. وكان نموذج طومسون يسمى "الحلوى مع الزبيب": "الحلوى" نفسها هي "جسم" الذرة المشحون بشكل إيجابي، و"الزبيب" هي الإلكترونات.
أرز. 1. نموذج طومسون للذرة ("بودنغ الزبيب")
نموذج رذرفورد
تم إجراء أول تجربة موثوقة لتحديد بنية الذرة بواسطة E. رذرفورد. نحن نعلم اليوم على وجه اليقين أن الذرة هي بنية تذكرنا بالنظام الشمسي الكوكبي. وفي المركز جسم ضخم تدور حوله الكواكب. ويسمى هذا النموذج للذرة بالنموذج الكوكبي.
تجربة رذرفورد
دعونا نلقي نظرة على التصميم التجريبي لرذرفورد ونناقش النتائج التي أدت إلى إنشاء النموذج الكوكبي.
أرز. 2. مخطط تجربة رذرفورد
تم وضع الراديوم داخل أسطوانة من الرصاص ذات فتحة ضيقة. باستخدام الحجاب الحاجز، تم إنشاء شعاع ضيق من جسيمات A، والتي تطير عبر فتحة الحجاب الحاجز، وتصطدم بشاشة مغطاة بتركيبة خاصة عندما يحدث وميض صغير؛ ويسمى هذا التوهج عندما تصطدم الجسيمات بالشاشة "ومضات التلألؤ". وقد لوحظت مثل هذه الومضات على سطح الشاشة باستخدام المجهر. بعد ذلك، طالما لم تكن هناك لوحة ذهبية في الدائرة، فإن جميع الجزيئات التي طارت من الاسطوانة وصلت إلى نقطة واحدة. عندما تم وضع لوحة ذهبية رفيعة جدًا داخل الشاشة في مسار جزيئات A، بدأت يتم ملاحظة أشياء غير مفهومة تمامًا. بمجرد وضع اللوحة الذهبية، بدأت جسيمات A في الانحراف. وقد لوحظ أن الجسيمات انحرفت عن حركتها الخطية الأولية وانتهت بالفعل في نقاط مختلفة تمامًا على هذه الشاشة.
التفاصيل الفئة: فيزياء الذرة والنواة الذرية تم النشر في 03/10/2016 18:27 المشاهدات: 4673
اعتقد العلماء والفلاسفة اليونانيون القدماء والهنود القدماء أن جميع المواد المحيطة بنا تتكون من جزيئات صغيرة لا يمكن تقسيمها.
لقد أيقنوا أنه لا يوجد شيء في العالم أصغر من هذه الجسيمات التي أسموها الذرات . وبالفعل، تم إثبات وجود الذرات لاحقًا من قبل علماء مشهورين مثل أنطوان لافوازييه، وميخائيل لومونوسوف، وجون دالتون. كانت الذرة تعتبر غير قابلة للتجزئة حتى نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين، عندما أصبح من الواضح أن الأمر لم يكن كذلك.
اكتشاف الإلكترون. نموذج طومسون الذري
جوزيف جون طومسون
في عام 1897، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون، أثناء دراسته التجريبية لسلوك أشعة الكاثود في المجالات المغناطيسية والكهربائية، أن هذه الأشعة عبارة عن تيار من الجزيئات سالبة الشحنة. وكانت سرعة حركة هذه الجسيمات أقل من سرعة الضوء. ولذلك، كان لديهم كتلة. من أين أتوا؟ واقترح العالم أن هذه الجسيمات هي جزء من الذرة. دعاهم جسيمات . في وقت لاحق بدأوا في الاتصال بهم الإلكترونات . وهكذا فإن اكتشاف الإلكترون وضع حداً لنظرية عدم قابلية الذرة للتجزئة.
نموذج طومسون الذري
اقترح طومسون النموذج الإلكتروني الأول للذرة. ووفقا لها، فإن الذرة عبارة عن كرة، يوجد بداخلها مادة مشحونة، ويتم توزيع شحنتها الإيجابية بالتساوي في جميع أنحاء الحجم بأكمله. وتتخلل هذه المادة الإلكترونات مثل الزبيب في الكعكة. بشكل عام، الذرة محايدة كهربائيا. وقد أطلق على هذا النموذج اسم "نموذج بودنغ البرقوق".
لكن تبين أن نموذج طومسون غير صحيح، وهو ما أثبته الفيزيائي البريطاني السير إرنست رذرفورد.
تجربة رذرفورد
إرنست رذرفورد
كيف يتم تنظيم الذرة على أي حال؟ أجاب رذرفورد على هذا السؤال بعد تجربته التي أجراها عام 1909 مع الفيزيائي الألماني هانز جيجر والفيزيائي النيوزيلندي إرنست مارسدن.
تجربة رذرفورد
كان الغرض من التجربة هو دراسة الذرة باستخدام جسيمات ألفا، حيث تم توجيه شعاع مركز منها، يطير بسرعة هائلة، نحو أنحف رقائق الذهب. خلف الرقاقة كانت هناك شاشة فلورسنت. وعندما تصطدم الجسيمات به، تحدث ومضات يمكن رؤيتها بالمجهر.
إذا كان طومسون على حق، وكانت الذرة تتكون من سحابة من الإلكترونات، فيجب أن تطير الجزيئات بسهولة عبر الرقاقة دون أن تنحرف. وبما أن كتلة جسيم ألفا تزيد كتلة الإلكترون بنحو 8000 مرة، فإن الإلكترون لا يستطيع التأثير عليه وحرف مساره بزاوية كبيرة، كما لا تستطيع حصاة وزنها 10 جرام تغيير مسار سيارة متحركة.
ولكن في الممارسة العملية، تحول كل شيء بشكل مختلف. في الواقع، طارت معظم الجسيمات عبر الرقاقة، مع انحراف بسيط أو بدون انحراف. لكن بعض الجزيئات انحرفت بشكل كبير أو حتى ارتدت، كما لو كان هناك نوع من العوائق في طريقها. وكما قال رذرفورد نفسه، كان الأمر لا يصدق كما لو أن قذيفة مقاس 15 بوصة ارتدت من قطعة من المناديل الورقية.
ما الذي تسبب في تغيير بعض جسيمات ألفا اتجاهها كثيرا؟ واقترح العالم أن السبب في ذلك هو جزء من الذرة يتركز في حجم صغير جدًا وله شحنة موجبة. اتصل بها نواة الذرة.
نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة
نموذج رذرفورد للذرة
توصل رذرفورد إلى استنتاج مفاده أن الذرة تتكون من نواة كثيفة موجبة الشحنة تقع في مركز الذرة وإلكترونات لها شحنة سالبة. تتركز كل كتلة الذرة تقريبًا في النواة. بشكل عام، الذرة محايدة. الشحنة الموجبة للنواة تساوي مجموع الشحنات السالبة لجميع إلكترونات الذرة. لكن الإلكترونات ليست مغروسة في النواة كما في نموذج طومسون، بل تدور حولها مثل الكواكب التي تدور حول الشمس. يحدث دوران الإلكترونات تحت تأثير قوة كولوم المؤثرة عليها من النواة. سرعة دوران الإلكترون هائلة. فوق سطح النواة يشكلون نوعًا من السحابة. ولكل ذرة سحابة إلكترونية خاصة بها، وهي مشحونة سلبا. ولهذا السبب فإنهم لا "يلتصقون ببعضهم البعض"، بل يتنافرون.
وبسبب تشابهه مع النظام الشمسي، أطلق على نموذج رذرفورد اسم الكوكبي.
لماذا توجد الذرة؟
ومع ذلك، فشل نموذج رذرفورد للذرة في تفسير سبب استقرار الذرة إلى هذا الحد. بعد كل شيء، وفقا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، فإن الإلكترون، الذي يدور في المدار، يتحرك بتسارع، وبالتالي، ينبعث موجات كهرومغناطيسية ويفقد الطاقة. في النهاية يجب أن تنفد هذه الطاقة ويجب أن يسقط الإلكترون في النواة. إذا كان الأمر كذلك، فإن الذرة يمكن أن توجد لمدة 10-8 ثواني فقط. لكن لماذا لا يحدث هذا؟
تم شرح سبب هذه الظاهرة لاحقًا من قبل الفيزيائي الدنماركي نيلز بور. واقترح أن الإلكترونات الموجودة في الذرة تتحرك فقط في مدارات ثابتة، والتي تسمى "المدارات المسموح بها". بينما هم لا ينبعثون منها طاقة. ولا يحدث انبعاث أو امتصاص الطاقة إلا عندما يتحرك الإلكترون من مدار مسموح به إلى آخر. إذا كان هذا انتقالًا من مدار بعيد إلى مدار أقرب إلى النواة، فإن الطاقة تشع، والعكس صحيح. يحدث الإشعاع في أجزاء تسمى الكميات.
على الرغم من أن النموذج الذي وصفه رذرفورد لم يتمكن من تفسير استقرار الذرة، إلا أنه سمح بإحراز تقدم كبير في دراسة بنيتها.
تجربة رذرفورد.
إرنست روثرفورد (1871-1937)، عالم فيزياء إنجليزي، أحد مؤسسي مذهب النشاط الإشعاعي وبنية الذرة، مؤسس مدرسة علمية، عضو أجنبي مناظر في الأكاديمية الروسية للعلوم (1922) وعضو فخري في الأكاديمية الروسية للعلوم (1922) أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (1925). مدير مختبر كافنديش (منذ عام 1919). اكتشف (1899) أشعة ألفا وبيتا وحدد طبيعتها. ابتكر (1903 مع ف. سودي) نظرية النشاط الإشعاعي. اقترح (1911) نموذجًا كوكبيًا للذرة. نفذ (1919) أول تفاعل نووي اصطناعي. تنبأ (1921) بوجود النيوترون. جائزة نوبل (1908).تجربة رذرفورد (1906) حول تشتت الجزيئات المشحونة السريعة التي تمر عبر طبقات رقيقة من المادة جعلت من الممكن دراسة البنية الداخلية للذرات. وفي هذه التجارب، تم استخدام جسيمات ألفا لسبر الذرات - ذرات الهيليوم المتأينة بالكامل - الناتجة عن التحلل الإشعاعي للراديوم وبعض العناصر الأخرى. قصف رذرفورد ذرات المعادن الثقيلة بهذه الجسيمات.
عرف رذرفورد أن الذرات تتكون من جسيمات خفيفة سالبة الشحنة - إلكترونات وجسيم ثقيل موجب الشحنة. الهدف الرئيسي من التجارب هو معرفة كيفية توزيع الشحنة الموجبة داخل الذرة. لا يمكن أن يحدث تشتت جسيمات ألفا (أي تغيير في اتجاه الحركة) إلا بسبب الجزء المشحون إيجابيًا من الذرة.
أظهرت التجارب أن بعض جسيمات ألفا تتناثر بزوايا كبيرة تقترب من 180 درجة، أي أنها ترتد إلى الخلف. وهذا ممكن فقط إذا كانت الشحنة الموجبة للذرة مركزة في جزء مركزي صغير جدًا من الذرة - النواة الذرية. وتتركز كتلة الذرة بأكملها تقريبًا في النواة.
اتضح أن أقطار نوى الذرات المختلفة تتراوح بين 10 - 14 - 10 - 15 سم، في حين أن حجم الذرة نفسها هو ≈10 -8 سم، أي 10 4 - 10 5 أضعاف حجم الذرة. النواة.
وهكذا تبين أن الذرة "فارغة".
بناءً على التجارب التي أجريت على تشتت جسيمات ألفا على نوى الذرة، توصل رذرفورد إلى إلى النموذج الكوكبي للذرة. ووفقا لهذا النموذج، تتكون الذرة من نواة صغيرة موجبة الشحنة وإلكترونات تدور حولها.
ومن وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية، يجب أن تكون هذه الذرة غير مستقرة، لأن الإلكترونات التي تتحرك في مدارات متسارعة يجب أن تبعث طاقة كهرومغناطيسية بشكل مستمر.
تم إجراء مزيد من التطوير للأفكار حول بنية الذرات بواسطة N. Bohr (1913) على أساس المفاهيم الكمومية.
العمل المختبري.
يمكن إجراء هذه التجربة باستخدام جهاز خاص، يظهر رسمه في الشكل 1. هذا الجهاز عبارة عن صندوق رصاص بداخله فراغ كامل ومجهر.
لا يمكن أن يحدث تشتت (تغيير اتجاه الحركة) لجسيمات ألفا إلا بسبب الجزء الموجب الشحنة من الذرة. وهكذا، من خلال تشتت جسيمات ألفا، من الممكن تحديد طبيعة توزيع الشحنة الإيجابية والكتلة داخل الذرة. يظهر الرسم البياني لتجارب رذرفورد في الشكل 1. تم إطلاق شعاع من جسيمات ألفا المنبعثة من عقار مشع بواسطة الحجاب الحاجز ثم سقط على رقاقة رقيقة من المادة قيد الدراسة (في هذه الحالة، الذهب). بعد التشتت، سقطت جسيمات ألفا على شاشة مغطاة بكبريتيد الزنك. وكان اصطدام كل جسيم بالشاشة مصحوبًا بوميض من الضوء (الوميض)، والذي يمكن ملاحظته من خلال المجهر.
مع وجود فراغ جيد داخل الجهاز وفي غياب الرقائق، ظهر شريط من الضوء على الشاشة، يتكون من ومضات ناتجة عن شعاع رقيق من جسيمات ألفا. ولكن عندما تم وضع الرقاقة في مسار الشعاع، تم توزيع جسيمات ألفا، بسبب التشتت، على مساحة أكبر من الشاشة.
في تجربتنا، نحتاج إلى فحص جسيم ألفا، الذي يتم توجيهه نحو نواة الذهب عند عمل زاوية قدرها 180 درجة (الشكل 2) ومراقبة تفاعل جسيم ألفا، أي. عند أي مسافة سيقترب جسيم ألفا من قلب الذهب (الشكل 3).
أرز. 2
تين. 3
منح:
V 0 =1.6*10 7 م/ث – السرعة الأولية
د = 10 -13
ص دقيقة =؟
أسئلة:
ما أقل مسافة r min بين جسيم α والنواة التي يمكن تحقيقها في هذه التجربة؟ (الشكل 4)
الشكل 4
حل:
في تجربتنا، تم تمثيل جسيم ألفا كذرة
م محايد كجم
Z=2 - البروتونات
ن = الاتحاد الأفريقي – Z = 4 - 2 = 2 نيوترون
م ع = كلغ
Z=79 – عدد البروتونات
ن = الاتحاد الأفريقي – Z = 196 – 79 = 117 (نيوترونات)
كل 2 /
H ∙m 2 - ثابت كهربائي
يعد اكتشاف البنية المعقدة للذرة أهم مرحلة في تطور الفيزياء الحديثة، والتي تركت بصماتها على كل تطورها الإضافي. في عملية إنشاء نظرية كمية لهيكل الذرة، والتي مكنت من شرح الأطياف الذرية، تم اكتشاف قوانين جديدة لحركة الجسيمات الدقيقة - قوانين ميكانيكا الكم.
نموذج طومسون
لم يتوصل العلماء على الفور إلى الأفكار الصحيحة حول بنية الذرة. تم اقتراح النموذج الأول للذرة من قبل الفيزيائي الإنجليزي جي جي طومسون، الذي اكتشف الإلكترون. وفقا لطومسون، فإن الشحنة الموجبة للذرة تشغل كامل حجم الذرة وتتوزع في هذا الحجم بكثافة ثابتة. أبسط ذرة - ذرة الهيدروجين - عبارة عن كرة موجبة الشحنة يبلغ نصف قطرها حوالي 10 -8 سم، ويوجد بداخلها إلكترون. تحتوي الذرات الأكثر تعقيدًا على عدة إلكترونات في كرة موجبة الشحنة، لذا فإن الذرة تشبه كب كيك بها إلكترونات مثل الزبيب.
ومع ذلك، تبين أن نموذج طومسون للذرة يتناقض تمامًا مع تجارب دراسة توزيع الشحنة الموجبة في الذرة. لعبت هذه التجارب، التي أجراها لأول مرة إي. رذرفورد، دورًا حاسمًا في فهم بنية الذرة.
تجارب رذرفورد
كتلة الإلكترونات أقل بعدة آلاف المرات من كتلة الذرات. وبما أن الذرة ككل محايدة، فإن الجزء الأكبر من كتلة الذرة يقع في الجزء المشحون بشحنة موجبة.
لإجراء دراسة تجريبية لتوزيع الشحنة الموجبة، وبالتالي الكتلة، داخل الذرة، اقترح رذرفورد في عام 1906 استخدام مسبار الذرة باستخدام α -حبيبات تنشأ هذه الجسيمات من اضمحلال الراديوم وبعض العناصر الأخرى. تبلغ كتلتها حوالي 8000 مرة كتلة الإلكترون، وشحنتها الموجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون. هذه ليست أكثر من ذرات هيليوم متأينة بالكامل. سرعة α -الجزيئات كبيرة جدًا: تبلغ سرعتها 1/15 من سرعة الضوء.
لقد قصف رذرفورد ذرات العناصر الثقيلة بهذه الجسيمات. لا تستطيع الإلكترونات، بسبب كتلتها المنخفضة، تغيير مسارها بشكل ملحوظ α -الجسيمات، تمامًا كما أن الحصاة التي تزن عدة عشرات من الجرام عند اصطدامها بسيارة غير قادرة على تغيير سرعتها بشكل ملحوظ. التشتت (تغيير اتجاه الحركة) α - لا يمكن أن تتكون الجسيمات إلا من الجزء المشحون إيجابيا من الذرة. وهكذا عن طريق التشتت α - يمكن للجسيمات تحديد طبيعة توزيع الشحنة الموجبة والكتلة داخل الذرة. يظهر مخطط تجارب رذرفورد في الشكل 1.
تم وضع عقار مشع، على سبيل المثال الراديوم، داخل أسطوانة الرصاص 1، والتي تم حفر قناة ضيقة من خلالها. كعكة α - سقوط جزيئات من القناة على رقائق رقيقة 2 مصنوعة من المادة قيد الدراسة (الذهب والنحاس وغيرها). بعد التشتت α - سقوط جزيئات على شاشة شفافة 3 مطلية بكبريتيد الزنك. وكان اصطدام كل جسيم بالشاشة مصحوبًا بوميض من الضوء (الوميض)، يمكن ملاحظته من خلال المجهر 4. وتم وضع الجهاز بأكمله في وعاء تم إخلاء الهواء منه.
مع وجود فراغ جيد داخل الجهاز وعدم وجود فويل ظهرت على الشاشة دائرة ضوئية مكونة من ومضات ناتجة عن شعاع رفيع α -حبيبات ولكن عندما تم وضع الرقائق في مسار العارضة، α - بسبب التشتت، توزعت الجزيئات على الشاشة على دائرة بمساحة أكبر. ومن خلال تعديل الإعداد التجريبي، حاول رذرفورد اكتشاف الانحراف α - الجسيمات بزوايا كبيرة. وبشكل غير متوقع تماما، اتضح أن عددا صغيرا α - انحرفت الجسيمات (حوالي واحد من كل ألفين) بزوايا أكبر من 90 درجة. اعترف رذرفورد لاحقًا بذلك، بعد أن اقترح على طلابه تجربة لمراقبة التشتت α - الجسيمات بزوايا كبيرة، هو نفسه لم يؤمن بنتيجة إيجابية. قال رذرفورد: "إنه أمر لا يصدق تقريبًا، كما لو أنك أطلقت قذيفة مقاس 15 بوصة على قطعة من المناديل الورقية وعادت القذيفة وأصابتك". وفي الواقع، كان من المستحيل التنبؤ بهذه النتيجة على أساس نموذج طومسون. عند توزيعها في جميع أنحاء الذرة بأكملها، لا يمكن للشحنة الموجبة أن تخلق مجالًا كهربائيًا شديدًا بدرجة كافية لإرجاع جسيم ألفا إلى الخلف. يتم تحديد القوة التنافرية القصوى بواسطة قانون كولوم\[~a(1 + e^2 / 2)\]
حيث q α هي الشحنة α -حبيبات؛ q هي الشحنة الموجبة للذرة؛ r هو نصف القطر؛ ك - معامل التناسب. تبلغ شدة المجال الكهربائي لكرة مشحونة بشكل منتظم الحد الأقصى على سطح الكرة، وتتناقص إلى الصفر عندما تقترب من المركز. لذلك، كلما كان نصف القطر r أصغر، زادت قوة التنافر α -حبيبات.
\(~F = k \dfrac(|q_\alpha| |q|)(r^2)\) , (1)
تحديد حجم النواة الذرية. أدرك رذرفورد ذلك α - لا يمكن إرجاع الجسيم إلى الخلف إلا إذا تركزت الشحنة الموجبة للذرة وكتلتها في منطقة صغيرة جدًا من الفضاء. هذه هي الطريقة التي توصل بها رذرفورد إلى فكرة النواة الذرية - وهي جسم صغير تتركز فيه كل كتلة الذرة تقريبًا وكل الشحنة الإيجابية للذرة.
ويبين الشكل 2 مسارات جسيمات ألفا التي تطير على مسافات مختلفة من النواة.
إحصاء العدد α - تشتت الجسيمات بزوايا مختلفة، تمكن رذرفورد من تقدير حجم النواة. اتضح أن قطر النواة يتراوح بين 10 -12 -10 -13 سم (النوى المختلفة لها أقطار مختلفة). حجم الذرة نفسها 10 - 8 سم، أي 10 - 100 ألف مرة أكبر من حجم النواة. وفي وقت لاحق، كان من الممكن تحديد تهمة النواة. بشرط أن يتم أخذ شحنة الإلكترون كواحدة، فإن شحنة النواة تساوي تمامًا عدد عنصر كيميائي معين في النظام الدوري لـ D.I Mendeleev.
النموذج الكوكبي للذرة
النموذج الكوكبي للذرة يتبع مباشرة تجارب رذرفورد. يوجد في المركز نواة ذرية موجبة الشحنة، حيث تتركز كتلة الذرة بأكملها تقريبًا. بشكل عام، الذرة محايدة. ولذلك فإن عدد الإلكترونات داخل الذرة، مثل شحنة النواة، يساوي العدد الذري للعنصر في الجدول الدوري. ومن الواضح أن الإلكترونات لا يمكن أن تكون في حالة سكون داخل الذرة، لأنها ستسقط على النواة. وهي تتحرك حول النواة، تمامًا كما تدور الكواكب حول الشمس. يتم تحديد طبيعة حركة الإلكترون هذه من خلال عمل قوى كولوم على جزء النواة. في ذرة الهيدروجين، يدور إلكترون واحد فقط حول النواة. تحتوي نواة ذرة الهيدروجين على شحنة موجبة تساوي شحنة الإلكترون، وكتلة أكبر بحوالي 1836.1 مرة من كتلة الإلكترون. كانت هذه النواة تسمى بروتونًا وبدأت تعتبر جسيمًا أوليًا. حجم الذرة هو نصف قطر مدار إلكترونها (الشكل 3). النموذج الكوكبي البسيط والمرئي للذرة له أساس تجريبي مباشر. يبدو من الضروري للغاية شرح التجارب التي أجريت على تشتت جسيمات ألفا. ولكن على أساس هذا النموذج من المستحيل تفسير حقيقة وجود الذرة واستقرارها. بعد كل شيء، تحدث حركة الإلكترونات في المدارات مع تسارع، وكبيرة للغاية. وفقا لقوانين ماكسويل للديناميكا الكهربائية، يجب أن تبعث الشحنة المتسارعة موجات كهرومغناطيسية بتردد يساوي تردد ثورتها حول النواة. يصاحب الإشعاع فقدان الطاقة. عند فقدان الطاقة، يجب أن تقترب الإلكترونات من النواة، تمامًا كما يقترب القمر الصناعي من الأرض عند الكبح في الغلاف الجوي العلوي. كما تظهر الحسابات الدقيقة المستندة إلى ميكانيكا نيوتن والديناميكا الكهربائية ماكسويل، يجب أن يسقط الإلكترون على النواة في وقت قصير لا يكاد يذكر (حوالي 10 -8 ثانية). يجب أن تتوقف الذرة عن الوجود.
في الواقع، لا يحدث شيء مثل هذا. الذرات مستقرة وفي حالة غير مثار يمكن أن توجد إلى أجل غير مسمى، دون أن تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية على الإطلاق.
إن الاستنتاج الذي يتعارض مع التجربة حول الموت الحتمي للذرة بسبب فقدان الطاقة من خلال الإشعاع هو نتيجة تطبيق قوانين الفيزياء الكلاسيكية على الظواهر التي تحدث داخل الذرة. ويترتب على ذلك أن قوانين الفيزياء الكلاسيكية لا تنطبق على الظواهر على المستوى الذري.
أنشأ رذرفورد نموذجًا كوكبيًا للذرة: تدور الإلكترونات حول النواة، تمامًا كما تدور الكواكب حول الشمس. هذا النموذج بسيط، وله ما يبرره تجريبيا، ولكنه لا يفسر استقرار الذرة.