Открытие атомного ядра. Уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона.
Однако в 1904 г. начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели. Одна из тем, выдвинутая Резерфордом в Манчестере, рассеяние а-частиц. Она была поручена Гейгеру и Марсдену. Метод, применявшийся для исследования, заключался в следующем а-частицы, испускаемые источником, диафрагмировались щелью попадали на экран из сернистого цинка. на котором получалось изображение щели в виде узкой полоски. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую пластинку, изображение щели размывалось, что указывало на рассеяние а-частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.
Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 г существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть а-частиц примерно 18000 рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь, таким образом обратно к источнику.
Тонкая пластине отбрасывала частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что а-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги. Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванные атомами рассеивающего вещества.
Исходя из модели Томсона, Резерфорд подсчитал, что это не может давать больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели. Когда а-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду а-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ф. 1 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад Рассеяние а- и -лучей и строение атома.
В докладе он говорил Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины.
При таком устройстве атома а- и -частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала. Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она пропорциональна числу атомов п в единице рассеивающего материала, толщине рассеивающей пластинки и величине b2, выражаемой следующей формулой где Ne заряд в центре атома, Е заряд отклоняемой частицы, т ее масса, и ее скорость.
Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния ф, так что число рассеянных частиц на единицу площади пропорционально cosec4 Ф2. Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам.
Из этих исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу. В 1913 г. Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. В том же1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс пришли закону смещения Содди Фаянса, ее гласно которому при а-распаде радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше а при -распаде на номер ниже. К этому же времени Содди пришел представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемент ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.
В богатом событиям 1913 г. были опубликованы три знаменитые статьи Бора О строении атомов и молекул, открывшие путь к атомной квантовой механике. Томас Рис Вильсон 1869-1959 изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием камера Вильсона.
Этот прибор позволяет видеть заряженную частицу по оставляемому ею туманному следу. Позднее ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет 1897 1974 получил вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота а-частицей, первой ядерной реакции, открытой Резерфордом. В этом же году Бор, имевший возможность поработать с автором первой модели атома, а затем с автором планетарной модели, на основе последней создает свою теорию атома Резерфорда-Бора. Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории, начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их особенностей и различий.
Резерфорд сразу понял революционный характер идей Бора и высказал критические замечания по самым фундаментальным пунктам теории Бора. После длительных дискуссий статья Бора и две его последующие статьи были опубликованы. Однако окончательный ответ на возражения Резерфорда был дан только созданием квантовой механики. В 1915 г. Бор опубликовал работы О сериальном спектре водорода и строении атома и Спектр водорода и гелия, О квантовой теории излучения в структуре атома.
Он развил исследования, выполненные им в Манчестере в августе 1912 г и опубликовал их под названием Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество. В декабре 1915 и январе 1916 г. Арнольд Зоммерфельд 1868 1951 развил теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщив правила квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со скоростью.
В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой структуры Теория атома после открытия Зоммерфельда стала называться теорией Бора Зоммерфельда. Продолжая развивать свои идеи, Бор сформулировал принцип соответствия 1918, означавший шаг вперед в ответе на вопросы, поставленные Резерфордом. В 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике. В нобелевском докладе он развернул картину с стояния атомной теории к этому времени.
Одним из наиболее существенных успехов теории было нахождения. ключа к периодической системе элементов, которая объяснялась наличие электронных оболочек, окружающих ядра атомов. В 1925 г. работой Гейзенберга началось создание квантовой механики. В том же году Уленбек и Гаудсмит, работавшие у Эренфеста, открыли спин электрона, а Паули открыл принцип, носящий ныне его имя. После открытия Гейзенбергом в 1927 г. принципа неопределенности Бор выдвинул в качестве основной теоретической идеи квантовой теории принцип дополнительности.
В 1936 г. Бор выступил со статьей Захват нейтрона и строение ядра, в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Ядерной физике была посвящена также работа 1937 г. О превращении атомных ядер, вызванных столкновением с материальными частицами. В конце 1938 начале 1939 г. было открыто деление урана.