Первые представления об атомах, как неделимых частицах вещества, были предложены ещё в Древней Греции, однако строго научное обоснование атомной теории появилось только в начале XIX века благодаря работам Джона Дальтона. Согласно его модели, атомы являются твердыми, неделимыми шарами, отличающимися по массе и другим свойствам в зависимости от химического элемента. Эта модель объясняла химические реакции как комбинации атомов в определенных пропорциях, но она была полностью механической и не включала внутреннюю структуру атома.
Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году заставило пересмотреть представления об атоме как о неделимой частице. В предложенной им модели атом представлялся как равномерно заряженная положительная сфера, внутри которой находятся легкие отрицательные электроны, подобно изюму в пудинге. Эта модель пыталась учесть электрические свойства вещества, но не могла объяснить стабильность атомов, спектральные линии и рассеяние α-частиц.
Ключевым моментом в развитии ядерной физики стало открытие структуры атома в результате эксперимента по рассеянию α-частиц, проведённого в 1909–1911 гг. Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда.
Суть эксперимента: α-частицы (ядра гелия) направлялись на тонкую золотую фольгу. Согласно модели Томсона, ожидалось, что все частицы пройдут сквозь фольгу с незначительными отклонениями. Однако в действительности было обнаружено, что небольшое количество α-частиц отклонялось под большими углами, а некоторые даже отражались назад.
Интерпретация результатов: Эти наблюдения невозможно было объяснить моделью с равномерно распределённым положительным зарядом. В 1911 году Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой почти вся масса и положительный заряд атома сосредоточены в очень малом объеме — атомном ядре, а электроны движутся вокруг него, занимая остальное пространство атома.
Эта модель позволила объяснить рассеяние частиц на тяжелых ядрах, но она не могла описать устойчивость орбит электронов и наблюдаемые спектры излучения. Возникла необходимость дальнейшего развития модели.
В 1913 году Нильс Бор предложил квантовую модификацию модели Резерфорда. Основные идеи Бора:
Модель Бора была успешна в объяснении спектральных линий водорода, но не могла применяться к более сложным атомам. Однако она стала важным шагом в развитии квантовой теории атома.
После эксперимента Резерфорда возникла необходимость детального изучения свойств ядра. Были проведены опыты по рассеянию протонов, α-частиц и других ионов, которые показали:
В 1920-е годы была подтверждена дискретность заряда ядра, и установлено, что его заряд равен Z·e, где Z — атомный номер. Также стало ясно, что масса ядра не объясняется только протонами, что в 1932 году привело к открытию нейтрона Джеймсом Чедвиком.
Открытие нейтрона завершило картину структуры ядра. Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов, удерживаемых сильным ядерным взаимодействием, преодолевающим электростатическое отталкивание между протонами. Эти взаимодействия объясняют устойчивость и нестабильность изотопов, явления радиоактивности и энергетические процессы в звёздах.
Характеристики ядра:
Для описания свойств ядер было предложено множество моделей:
Открытие атомного ядра положило начало целому направлению в физике — ядерной физике. Это позволило:
Ядерная модель атома стала краеугольным камнем для понимания структуры вещества и взаимодействий на микроскопическом уровне, что сделало её основой для последующих открытий в физике элементарных частиц и космологии.