Ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ

Το Ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ η πρότυπο είναι ένα μοντέλο του ατόμου που επινόησε ο Έρνεστ Ράδερφορντ. Ο Ράδερφορντ διηύθυνε το περίφημο πείραμα Geiger-Marsden το 1909, το οποίο πρότεινε, σύμφωνα με την ανάλυση του Ράδερφορντ το 1911 ότι το ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου (του J. J. Thomson) ήταν εσφαλμένο. Το νέο μοντέλο του Ράδερφορντ, βασισμένο σε πειραματικά αποτελέσματα, είχε αρκετά σύγχρονα χαρακτηριστικά, ανάμεσα στα οποία περιλαμβάνεται ένα υψηλό κεντρικό φορτίο συγκεντρωμένο σε πολύ μικρό όγκο συγκριτικά με το υπόλοιπο του ατόμου στο οποίο περιέχεται το σώμα της ατομικής μάζας (ο πυρήνας του ατόμου), και ένας αριθμών μικροσκοπικών ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα ως πλανήτες γύρω από τον ήλιο.

Πειραματική βάση του μοντέλου

Στο πείραμα Geiger-Marsden στο εργαστήριο του Ράδερφορντ, τα σωματίδια α χρησιμοποιούνταν ως εργαλείο συστηματικής διερεύνησης της ατομικής δομής με τη μελέτη της σκέδασής τους κατά το πέρασμά τους από ένα λεπτό φύλλο χρυσού. Ο Ράδερφοντ προέβλεψε ότι όλα τα σωματίδια θα περνούσαν μέσα από το φύλλο ή ότι θα διαθλούνταν ελαφρά. Αυτό συνέβη πράγματι τις περισσότερες φορές, αλλά λίγα σωματίδια, 1 στα 8.000, αναπήδησαν αναπάντεχα σχεδόν σε ευθεία γραμμή πίσω στην πηγή. Τούτο υποστήριζε την υπόθεση ότι τα άτομα διαθέτουν μια πυκνή περιοχή στην οποία περιέχεται το μεγαλύτερο τμήμα της μάζας τους, και συνδέεται με ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συγκέντρωσης (πιθανώς θετικό στη φύση του), αντί για διαχεόμενο θετικό ή αρνητικό φορτίο. Ο Ράδερφορντ σκέφθηκε, πιθανώς με όρους αισθητικής συμμετρίας, ότι μια τέτοια περιοχή πυκνού φορτίου και μάζας θα βρισκόταν στο κέντρο του ατόμου. Συνεπώς μια τέτοια περιοχή σχημάτιζε ένα είδος ατομικού πυρήνα.
Το 1911 ο Ράδερφορντ επανήλθε με το δικό του μοντέλο για την υποατομική δομή, ως ερμηνεία των αναπάντεχων πειραματικών αποτελεσμάτων. Σύμφωνα με το μοντέλο του, το άτομο συγκροτείται από ένα θετικό φορτίο (ο σύγχρονος ατομικός πυρήνας, αν και ο Ράδερφορντ δε χρησιμοποίησε τον όρο «πυρήνας» στη δημοσίευσή του) περιβεβλημένο από ένα νέφος ηλεκτρονίων σε τροχιά. Σε αυτή τη δημοσίευση του 1911, καταγράφει μια μικρή κεντρική περιοχή πολύ υψηλού δυναμικού ή αρνητικό φορτίο του ατόμου, αλλά χρησιμοποιεί μια διαφορετική γλώσσα για να το περιγράψει:
"Για να μπορέσετε να το κάνετε χειροπιαστό σκεφτείτε τη διέλευση ενός σωματιδίου α υψηλής ταχύτητας μέσω ενός ατόμου με θετικό κεντρικό φορτίο N e, και περιβεβλημένου με ένα αντισταθμιστικό φορτίο N ηλεκτρονίων."

Μειονεκτήματα του προτύπου

(α) Δεν εξηγεί τη σταθερότητα του ατόμου:
Είναι γνωστό ότι τα ηλεκτρικά φορτία εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και έτσι χάνουν ενέργεια. Έτσι, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου, κατά την περιφορά τους γύρω από τον πυρήνα (επειδή επιταχύνονται), θα έπρεπε να εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η απώλεια, όμως, της ενέργειας θα ελάττωνε την ακτίνα της τροχιάς του ηλεκτρονίου, και έτσι τα ηλεκτρόνια θα εκτελούσαν σπειροειδή τροχιά γύρω από τον πυρήνα, μέχρι τελικά να συγκρουστούν με αυτόν. Αυτό, όμως, δε συμβαίνει στην πραγματικότητα, γιατί το άτομο είναι σταθερό.
(β) Δεν εξηγεί το γραμμικό φάσμα εκπομπής των αερίων (κυρίως του υδρογόνου)
Με την εκπομπή της ενέργειας, η ακτίνα της τροχιάς των ηλεκτρονίων θα έπρεπε να μικραίνει και η συχνότητα περιφοράς τους γύρω από τον πυρήνα να παίρνει διαδοχικές τιμές. Όπως είναι γνωστό, η συχνότητα των εκπεμπόμενων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων θα έπρεπε να είναι ίση με τη συχνότητα περιφοράς του ηλεκτρονίου. Καθώς τα ηλεκτρόνια θα ακτινοβολούσαν συνέχεια, οι γωνιακές τους ταχύτητες θα μεταβάλλονταν κατά συνεχή τρόπο και θα εξέπεμπαν έτσι ένα συνεχές φάσμα και όχι το γραμμικό φάσμα που παρατηρείται στην πράξη.

Διάδοχο πρότυπο

Το μοντέλο του Ράδερφορντ διαδέχθηκε το ατομικό πρότυπο του Μπορ, το οποίο χρησιμοποιούσε κάποια από τα πρώιμα συμπεράσματα της Κβαντομηχανικής για να καθορίσει τη συμπεριφορά των περιστρεφόμενων σε τροχιά ηλεκτρονίων, περιορίζοντάς τα σε ορισμένες κυκλικές και αργότερα ελλειπτικές διδιάστατες τροχιές. Στο μοντέλο του Μπορ, επέκταση του έργου του Χένρι Μόσλεϊ, το κεντρικό φορτίο εξισώθηκε με τον ατομικό αριθμό (δηλάδή τη θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα). Εξαιτίας του γεγονότος ότι το μοντέλο Μπορ είναι βελτίωση του προτύπου Ράδερφορντ, ορισμένες πηγές συνδυάζουντα δύο πρότυπα, αναφερόμενοι στο πρότυπο Μπορ ως πρότυπο Ράδερφορντ-Μπορ. Ωστόσο η σύλληψη του ατόμου ως πυρήνα που περιέχει ατομικό αριθμό φορτίων ήταν το έργο όχι ενός αλλά πολλών ανθρώπων, άλλων γνωστών, όπως οι παραπάνω και άλλων λιγότερο γνωστών, όπως ο Αντόνιους Βαν ντεν Μπρεκ (Antonius Van den Broek).