История и методология физики

Имеет ли атом планетарное строение? 
Эрнест Резерфорд (1871-1937) в 1914 г. высказал идею об искусственном 
превращении атомных ядер. Совместно с Андраде (1887-1971) он доказал 
идентичность рентгеновских спектров изотопов, чем было окончательно 
подтверждено равенство порядковых номеров у изотопов данного элемента. В 1919 
г. он осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в 
кислород. Так были заложены основы современной физики атомного ядра. Совместно 
с Олифантом он экспериментально доказал справедливость закона взаимосвязи 
массы и энергии в ядерных реакциях (1933) и осуществил реакцию синтеза дейтронов 
с образованием трития (1934). 
Схема первоначальных опытов Резерфорда, которые он начал в 1906г., была 
очень проста. От радиоактивного источника α-частицы проходили через узкое 
отверстие, затем попадали на фотопластинку, на которой регистрировалось четкое 
изображение щели. Резерфорд заметил, что когда в стеклянной вакуумной установке, 
в которой проводился эксперимент, находится воздух или какой-нибудь газ, то 
изображение щели становится размытым. Это нельзя было рассеянием при 
столкновении с атомами газа, т.к. α-частицы обладают большой массой (они примерно 
в 7360 раз тяжелее электронов) и движутся с большой скоростью - около 20 км/с. 
Поэтому даже небольшое отклонение быстрых массивных частиц означает, что в 
атоме существуют значительные силы, вызывающие их отклонение. Чтобы объяснить 
отклонение α-частиц в среднем всего на 2°, необходимо было допустить, что в атомах 
имеются огромные электрические поля с напряженностью свыше 200 кВ/см. Было 
неясно, откуда берутся поля с такой напряженностью. Дальнейшие опыты 
продолжили под руководством Резерфорда его ученики Гейгер (1882-1945) и Марсден 
(1889-1970). Они изучали рассеяние α-частиц очень тонкими пластинками - фольгами 
толщиной около 0,01 мм из золота, платины и других материалов. Столь тонкие 
фольги укреплялись на стеклянной пластинке, которая сама по себе была прозрачной 
для α-частиц, т.е. не вызывала их отклонения.Отклонение α-частиц на определенный 
угол от первоначального направления движения регистрировалось спинтарископом. 
Они скрупулезно подсчитывали процент частиц, отклоненных на разные углы. 

---

Выполненные в 1909 г. опыты показали, что большинство α-частиц отклоняется 
на очень малые углы, небольшая их часть отклоняется на 90° от первоначального 
направления, и есть ничтожно малая доля частиц, которые отражаются назад, т.е. 
рикошетят. В опытах с платиновой фольгой было найдено, что лишь одна из восьми 
тысяч частиц испытывает отражение назад. Такой результат сильно потряс 
Резерфорда.
В то время были распространены представления Томсона, согласно которым 
рассеяние частиц на большой угол является результатом их малых последовательных 
отклонений при столкновениях с атомами. Однако опыты с очень тонкими фольгами 
неумолимо показывали, что большие отклонения α-частиц происходят при их 
однократном столкновении с атомами фольги.
Основываясь на представлении о том, что положительный заряд атома 
сосредоточен в малом его объеме, Резерфорд в 1911 г. разработал теорию рассеяния α-
частиц. Позднее, в 1912 г. центральный заряд атома Резерфорд назвал ядром. Теория 
Резерфорда была тщательно проверена в опытах Гейгера и Марсдена в 1913г.
Помимо экспериментального подтверждения существования ядра у атома, 
результаты Гейгера и Марсдена означали также, что закон Кулона, положенный в 
основу представлений о взаимодействии α-частиц с ядром, оказывается справедливым 
на атомных расстояниях. Итак, опытами Резерфорда и его сотрудников было надежно 
установлено существование положительного ядра у атома. Это ядро имеет размеры 
около 10
-12
см, что намного меньше размеров самого атома - порядка 10
-8
см. В 1913 г. 
ученик Резерфорда Генри Мозли (1887-1915), исследуя спектры рентгеновского 
излучения различных элементов, установил, что число положительных зарядов, 
содержащихся в ядре, в точности равно порядковому номеру Z данного элемента в 
периодической системе Д.И. Менделеева. Поскольку атом в целом электрически 
нейтрален, то отрицательный заряд электронов должен компенсировать положитель-
ный заряд ядра, так что в атоме должно быть Z электронов. Окончательный вывод о 
том, что заряд ядра равен порядковому номеру элемента, был сделан в 1920г. на 
основании опытов английского физика Чэдвика (1891-1974). Используя этот факт, 
теперь можно сказать, что такое химический элемент: химический элемент - это ве-
щество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра. 
На основании проведенных опытов Резерфорд в 1911 г. пришел к выводу, что 
строение атома похоже на Солнечную систему. Ядро является как бы Солнцем, а 
электроны - планетами. Резерфорд, конечно, понимал трудности этой модели. Дело в 
том, что планетарное строение атома лишь внешне является сходным с Солнечной 
системой, и эта аналогия довольно обманчива. В противоположность планетам, 
связанным силами взаимного притяжения, электроны отталкиваются друг от друга. 
Притяжение Солнцем внешних планет усиливается притяжением внутренних планет, 
тогда как в атоме внутренние электроны ослабляют воздействие ядра на внешние элек-
троны - экранируют его заряд. Планеты сильно отличаются друг от друга по многим 
своим свойствам, а все электроны имеют одну и ту же массу и заряд и являются 

---

неразличимыми, тождественными частицами. К тому же в отличие, например, от 
томсоновской модели атома планетарная модель не дает возможности оценить размер 
атома, который к тому времени был известен из молекулярно-кинетической теории. 
Но самый главный недостаток идеи о планетарном строении атома заключается в 
следующем: система, состоящая из положительно заряженного ядра и вращающихся 
вокруг него электронов, с точки зрения классической электродинамики Максвелла-
Лоренца является неустойчивой и, следовательно, не может существовать. В самом 
деле, по законам электродинамики ускоренно движущийся заряд должен терять свою 
энергию на излучение, а электрон, вращающийся вокруг ядра, движется с ускорением. 
Поскольку энергия вращающегося электрона связана с радиусом его орбиты, то с 
уменьшением энергии из-за излучения уменьшается также радиус орбиты электрона. 
Процесс излучения происходит непрерывно, и электрон, в конце концов, должен 
«упасть» на положительный центр притяжения. По мере приближения к ядру электрон 
должен был бы вращаться все быстрее и быстрее с повышением частоты испускаемого 
им света. Между тем наблюдается совсем другое: если атом испускает свет, то этот 
свет характеризуется определенной частотой (набором частот). 
Таким образом, эксперименты Резерфорда создали тупиковую ситуацию. Надо 
было отказываться либо от электродинамики, либо от планетарной модели. 
Большинство физиков того времени считало, что не следует отказываться от 
электродинамики, которая подтверждена многочисленными экспериментами и нашла 
практические применения. 
Поэтому на первом Сольвеевском конгрессе (1911), на котором присутствовали 
выдающиеся физики - Эйнштейн, Планк, Кюри, Ланжевен и другие, и который был 
посвящен проблеме квантов и излучения, никто даже не упомянул об идее Резерфорда. 
Об атмосфере же, царившей в то время в лаборатории Резерфорда, Нильс Бор говорил 
в 1926г.: «Весной 1912 года во время моего первого визита в Манчестер, вся 
лаборатория была взволнована одним из самых крупных открытий, которое в полной 
мере явилось плодом стараний Резерфорда. Сам Резерфорд и его ученики были 
всецело поглощены выяснением следствий, вытекавших из его нового взгляда на 
ядерное строение атома. Представление о том, насколько сильно мы верили в его 
суждения, будет неполным, если только сказать, что никто в его лаборатории не 
допускал и тени сомнения в правильности и фундаментальной важности этой точки 
зрения, хотя в то время она и очень оспаривалась». Несмотря на обреченность 
планетарной модели, сэр Эрнест, прозванный впоследствии знаменитым физиком 
П.Л.Капицей (1894-1984) Крокодилом за то, что он, как грозный крокодил, который 
никогда не поворачивает назад, действительно не повернул назад и был убежден в 
правоте своей модели атома. Он говорил тогда: «Вопрос об устойчивости 
предлагаемого атома не нуждается в рассмотрении на этом этапе, так как 
устойчивость, несомненно, зависит от тонкостей строения атома и от движения 
его заряженных составных частей». Первый правдоподобный выход из этого тупика 
нашел Нильс Бор. 

---