Схема взаимодействия по модели Резерфорда

По модели Резерфорда весь положительный заряд занимает крошечную область, радиус которой меньше десяти в степени минус пятнадцатой метра r _я<< r _а.

То есть, примерно во столько раз меньше радиуса атома, во сколько раз радиус Солнца меньше радиуса самой удаленной от него планеты. При уменьшении расстояния взаимодействия альфа-частицы с положительным зарядом силы отталкивания возрастают в квадратичной зависимости и теперь они вполне достаточны для отражения назад альфа-частиц с энергией в миллионы электроновольт.

В 1911 г. Резерфорд количественно обосновал планетарную модель атома в докладе "Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома". Он представил следующую формулу для числа альфа-частиц, рассеянных в элемент телесного угла:

Результаты опыта очень хорошо согласуются с этой формулой. Поэтому все другие модели были отвергнуты.
"Чем отличишь ты мельчайшую часть от Вселенной?"
Мельчайшая часть вещества - атом казалась устроенной наподобие Солнечной системы... Впечатление от модели Резерфорда было очень сильным.

В начале ХХ века, после опытов Резерфорда, принцип Гермеса Тримегиста, казалось, получил физическое подтверждение. Невольно возникали ассоциации с куклой - матрешкой, где в одной оболочке оказывается помещенной другая, подобная по форме, но меньшего размера, в ней следующая, и так далее. Может быть в природе нет конца этой лестнице ни вверх, ни вниз

На основе этого предположения появились гипотезы инфра-мира, то есть мира меньшего масштабного уровня, и супра-мира - внешнего, большего по масштабу, чем обычный мир человека. Суть первой гипотезы прекрасно показана в стихотворении русского поэта Валерия Яковлевича Брюсова "Мир электрона"

"Быть может эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Еще быть может каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь страсть, как здесь и даже
Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как нынче я."

Созвучен этому и известный афоризм В.И.Ульянова-Ленина: "Электрон также неисчерпаем, как атом". Гипотетические мудрецы на электроне-планете действительно измеряли бы время в единицах периода обращения электрона вокруг ядра. И их год был бы весьма скоротечен, по сравнению с нашим...

Альтернативная гипотеза cупра-мира исходит из сходства солнечной системы с атомами фтора (F). Действительно, в солнечной системе (до открытия планеты Харона) было известно 9 планет. А у атома фтора имеется 9 электронов. Формально очень схожи по "устройству" эти две системы.

Так может быть Солнечная система и другие звезды - это некие Мега-атомы, из которых составляются гигантские по размерам Мега-молекулы? А из Мега-молекул построен Мега-организм - Вселенная? Фантазируя дальше, можно считать Мега-организмы носителями разума.... Отголоском этой идеи является разумный Океан у С.Лема. Можно так же упомянуть мистические идеи Е.Блаватской о космическом Разуме и живой Вселенной.

Мы рассматриваем эти гипотезы в разделе об истоках современного естествознания потому, что они прежде всего иллюстрируют влияние научных открытий на общечеловеческую культуру. Элементы новой парадигмы изменяют масштабы и образ мысли всего человечества. Кроме того, они привлекательны своей смелостью и выходом за привычные рамки мышления.

Тем не менее, в них остается стереотип ожидания все меньших структурных частей по мере продвижения на более глубокие масштабные уровни: внутри матрешки может быть только меньшая.

По современным данным принцип матрешки не состоятельный.
В последующем мы рассмотрим причины, по которым малые по массе микрочастицы содержат в себе не меньшие, а наоборот - большие по массе-энергии составляющие.

Электрон же считается действительно элементарным (не содержащим в себе составных частей) образованием, хотя он и может превращаться в другие элементарные частицы. Что касается звездных систем, то процессы их образования не копируют закономерности образования молекулярных систем и, тем более, закономерности живых организмов.

В заключение отметим, что нюклеарно-планетарная модель, обоснованная Резерфордом, явилась большим достижением классического атомизма. Одновременно она показала недостаточность классической физики Ньютона - Максвелла для полного описания свойств атома.

Дело в том, что движущийся с центростремительным ускорением электрон в атоме должен бы излучать электромагнитные волны, терять кинетическую энергию и непрерывно переходить на все приближающиеся к ядру орбиты.

Поэтому классическая физика "предсказывает" нестабильность атома и его исчезновение, хотя в действительности атомы и молекулы остаются стабильными системами.Таким образом возникает противоречие и проблема стабильности атома требует своего решения в рамках новой концепции атома - квантово-механической.

Первичная аксиоматика квантовой механики

Планетарная модель атома явилась вершиной классического естествознания. Она же показала неприменимость его для адекватного описания микромира.

Классическая механика рассматривает электрон как материальную частицу, траектория которой при движении в атоме представляет собой замкнутую кривую второго порядка, например - окружность. Условием нахождения электрона на круговой орбите является равенство кулоновской силы притяжения его к ядру центростремительной силе

Классическая электродинамика утверждает, что при движении с ускорением (в том числе - центростремительным) любая заряженная частица является источником электромагнитных волн. Мощность излучения пропорциональна четвертой степени ускорения. При той величине ускорения, которое действует (по классической механике) на электрон в атоме, он должен излучить всю свою энергию за время порядка 10 нс=10^-8с.

Опыт показывает, что излучение атома происходит не всегда. В нормальных условиях атомы не излучают. Возникает противоречие - либо модель, либо теория неприменима в области атомных размеров (~ 10^-10м).

Попыткой "спасти атом" явились постулаты Н.Бора (1885-1962). Рассмотрим их смысл, не приводя тех определений, которые есть в любом учебнике физики.

Постулаты Бора:
1. Утверждается существование стационарных состояний для которых процесс излучения энергии запрещен.
2. Вводится правило отбора для нахождения стационарных состояний атома. Это правило состоит в приравнивании допускаемых значений для механического момента импульса движения электрона по орбите целочисленному ряду значений:

3.Разрешается процесс электромагнитного излучения или поглощения света при переходах между двумя стационарными состояниями.

Поглощение приводит к появлению черных линейчатых спектров поглощения атомов (черные стрелки на схеме), обратные переходы объясняют появление ярких спектров излучения.

Постулаты Бора введены эвристически: идея сформулирована в надежде, что потом удастся понять, почему не любые по размерам и энергетическим состояниям орбиты реализуются в атомах.