Гипотеза де бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц.
Французский ученый Луи де Бройль в 1924 году выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других – как частица, то и материальные частицы в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. В 1927 году эту гипотезу экспериментально подтвердили физики К.Дэвиссон и Л.Джермер, получив дифракционную картину электронов.
ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА.
Модель атома Резерфорда.
В 1911 году Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его бомбардировку с помощью ά- частиц, которые возникают при распаде полония и радия, имеют положительный заряд и являются ядрами атомов гелия. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок ά-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал на золотую фольгу. После фольги ά-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение частиц с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флуоресценцией, которая наблюдалась в микроскоп. При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком ά-частиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее большинство ά-частиц все равно не отклонялось от своего первоначального направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись ά-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад. При подсчете выяснилось, что одна из 2 тысяч ά-частиц отклонялись на углы, большие 900, а одна из 8 тысяч – на 1800. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томпсона, было нельзя. Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии ά-частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позволяющую определить число N элементарных положительных зарядов, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что число N равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева, то есть N = Z.
Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов.
Обобщая результаты опытов по рассеиванию ά-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил: 1) атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для ά-частиц; 2) отклонения ά-частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил следующую ядерную модель атома: в ядре атома сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома. Частицы, составляющие ядро автор назвал протонами. Вокруг ядра движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны. По мнению Резерфорда, электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра. Основная часть атома составляет пустое пространство. Так как ядерная модель атома Резерфорда напоминает солнечную систему, то ее назвали «планетарной».
Недостатки «планетарной» модели атома заключаются в двух противоречиях. Первое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.