დაგროვილი ექსპერიმენტული მონაცემების საფუძველზე ატომის მოდელის პირველი მცდელობა ჯოზეფ ტომსონს ეკუთვნის (1903 წ.). ის თვლიდა, რომ ატომი 10–10 მ-ს რადიუსის მქონე სფეროს ფორმის ელექტრონეიტრალურ სისტემას წარმოადგენდა. ატომის დადებითი მუხტი თანაბრად იყო განაწილებული ატომის მთელ მოცულობაში, ხოლო უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები მის შიგნით მდებარეობენ (ნახ. 1). ატომის გამოსხივების ხაზოვანი სპექტრის ასახსნელად ტომსონი ცდილობდა განესაზღვრა ატომში ელექტრონების განლაგება და მათი წონასწორული მდებარეობის მიმართ რხევის სიხშირის გათვლა. მაგრამ ეს მცდელობა წარმატებით ვერ დამთვრდა. რამდენიმე წლის შემდეგ დიდი ინგლისელი ფიზიკოსის ე.რეზერფორდის ცდებით იქნა დამტკიცებული, რომ ტომფსონის მოდელი არ იყო სწორი.
ნახ. 1.
ატომის ტომსონის მოდელი
ატომის შინაგანი სტრუქტურის კვლევის პირდაპირი პირველი ექსპერიმენტები რეზერფორდისა და მისი თანამშრომლებს ე.მარსდენსა და ჰ.გეიგერს ეკუთნოდა (1909-1911 წწ.). რეზერფორდმა გადაწყვიტა ატომების ზონდირებისთვის გამოეყენებიბა α-ნაწილაკები, რომლებიც რადიუმის და ზოგიერთი სხვა ელემენტის რადიოაქტიური დაშლისას მიიღებიან. α-ნაწილაკი ელექტრონზე დაახლოებით 7300-ჯერ უფრო დიდი მასისაა, ხოლო მისი დადებითი მუხტი გაორმაგებული ელემენტარული მუხტის ტოლია. თავის ცდებში რეზერფორდი 5 მევ-ს ტოლი კინეტიკური ენერგიის მქონე α-ნაწილაკებს (ასეთი ნაწილაკის სიჩქარე ძალიან დიდია - 107 მ/წმ-ს რიგისაა, მაგრამ სინათლის სიჩქარეზე მაინც მნიშვნელოვნად ნაკლებია) იყენებდა. α-ნაწილაკები ჰელიუმის სრულად იონიზირებული ატომებია. ისინი რეზერფორდის მიერ 1899 წ. იყო აღმოჩენილი რადიიაქტივობის მოვლენის შესწავლისას. ამ ნაწილაკებით რეზერფორდმა მძიმე ელემენტების (ოქრი, ვერცხლი, სპილენძი და სხვა) ატომები დაბომბა. ატომენის შემადგენლობაში შემავალი ელექტრონები, მცირე მასის გამო შესამჩნევად ვერ ცვლიან α-ნაწილაკების ტრაექტორიას. გაბნევა, ანუ α-ნაწილაკების მოძრაობის მიმართულების ცვლილება, შეუძლია გამოიწვიოს მხოლოდ ატომის დადებითად დამუხტულმა მძილე ნაწილმა. რაზერფორდის ცდის სქმა ნახ. 2-ზეა მოცემული.
ნახ. 2.
α-ნაწილაკების გაბნევის რეზერფორდის სქემა. K – რადიოაქტიური ნივთიერების შემცველი ტყვიის კონტეინერი, Э – თუთიის სულფიტით დაფარული ეკრანი, Ф – ოქროს ფოლგა, M – მიკროსკოპი
ტყვიის კონტეინერში მოთავსებული რადიოაქტიური წყაროდან α-ნაწილაკები მიმართული იყო თხელი მეტალური ფოლგისაკენ. გაბნეული ნაწილაკები ხვდებოდნენ თუთიის სულფიტის ფენით დაფარულ ეკრანზე, რომელზეც სწრაფი დამუხტული ნაწილაკის მოხვედრას ნათება ახლავს. ეკრანზე სინტილაცია (ანტება) მოკროსკოპის დახმარებით თვალით დაიკვირვებოდა. რეზერფორდის ცდაში α-ნაწილაკების გაბნევას შეიძლება ნაწილაკების თავდაპირველი ნაკადის მიმართ სხვადასხვა φ კუთხით იქნეს დაკვირვებული. აღმოჩნდა, რომ α-ნაწილაკების უმრავლესობა მეტალის თხელ ფენაში გადის პრაქტიკულად გადახრას არ განიცდის. მაგრამ ნაწილაკების მცირე ნაწილი გადაიხრება მნიშვნელოვანი კუთხით, რომელიც 30° აღემატება. ძალიან ცოტა α-ნაწილაკი (დაახლოებით ერთი ათი ათასიდან) დაახლოებით 180° კუთხით გადაიხრება.
შედეგი რეზერფორდისთვისაც სრულიად მოულოდნელი იყო. მისი შეხედულებები მკვეთრად ეწინააღმდეგებოდა ტომსონის მოდელს, რომლის მიხედვითაც დადებითი მუხტი ატომის მთელ მოცულობაში თანაბრად უნდა ყოფილიყო განაწილებული. ასეთი განლაგებისას დადებით მუხტს არ შეუძლია ისეთი ძლიერი ველის შექმნა, რომელსაც შეუძლია α-ნაწილაკის უკუგდება. ერთგვაროვანი დამუხტული სფეროს ელექტრული ველი მაქსიმალურია მის ზედაპირზე და მცირდება სფეროს ცენტრთან მიახლოებისას. თუ იმ სფეროს რადიუსი, რომელშიც მთელი დადებითი მუხტია თავმოყრილი, n -ჯერ შეცირდება, α-ნაწილაკზე მომქმედი უკუგდების მაქსიმალური ძალა, კულონის კანონის თანახმად გაიზრდენა n2-ჯერ. აქედან გამომდინარე, საკმარისად დიდი n-სთვის α-ნაწილაკები შეიძლება განიცდიდეს გაბნევას დიდი კუთხეებით, 180°-მდეც კი. ამ მოსაზრებებმა რეზერფორდი მიიყვანა დასკვნამდე, რომ ატომი თითქმის ცარიელია, და მთელი მისი დადებითი მუხტი მცირე მოცულობაშია თავმოყრილი. ატომის ამ ნაწილს რეზერფორდმა ატომის ბირთვი უწოდა. ასე შეიქმნა ატომის ბირთვული მოდელი. ნახ. 3 ტომსონისა და რეზერფორდის ატომებზე α-ნაწილაკების გაბნევას უჩვენებს.
ნახ. 3.
α-ნაწილაკის გაბნევა (a) ტომსონისა და (b) რეზერფორდის ატომებზე
ამგვარად, რაზერფორდის და მისი თანამშრომლების ცდების შედეგად მიღებული იქნა დასკვნა, რომ ატომის ცენტრში მოთავსებულია მკვრივი დადებითად დამუხტული ბირთვი, რომლის დიამეტრი 10–14–10–15 მ-ს არ აღემატება. ეს ბირთვი ატომის მთელი მოცულობის 10–12 ნაწილს იკავებს, მაგრამ მოიცავს მთელ დადებით მუხტს და მისი მასის 99,95 % -ს. ატომის ბირთვის შემადგენელი ნივთიერების სიმკვრივე ρ ≈ 1015 გ/სმ3 რიგისაა. მუხტი ატომის შემადგენლობაში შემავალი ელექტრონების ჯამური მუხტის ტოლია. შემდგომში დადგინდა, რომ თუ ელექტრონის მუხტს ჩავთვლით ერთეულის ტოლად, მაშინ ატომის ბირთვის მუხტი მენდელეევის ცხრილში მისი ნომრის ტოლია.
რეზერფორდის ცდებიდან გამომდინარე რადიკალურმა დასკვნებმა ატომის აგებულების შესახებ მევრი მეცნიერის უნდობლობა გამოიწვია. გამონაკლის არც თვით რეზერფორდი წარმოადგენდა, რომელმაც თავისი შედეგები თავისი პირველი ექსპერიმენტის ჩატარებიდან ორი წლის შემდეგ, მხოლოდ 1911 წელს გამოაქვეყნა. მიკროელემენტების მოძრაობის კლასიკურ წარმოდგენებზე დაყრდნობით რეზერფორდმა წარმოადგინა ატომის პლანეტარული მოდელი. ამ მოდელის მიხედვით, ატომის ცენტრში მოთავსებულია დადებითად დამუხტული ბირთვი, რომელშიც თითქმის მთელი მასაა თავმოყრილი. ატომი ზოგადად ნეიტრალურია. ბირთვის გარშემო, პლანეტის მსგავსად, ბირთვის მხრიდან კულონის ძალების მოქმედებით მოძრაობენ ელექტრონები (ნახ. 4). უძრაობის მდგომარეობაში ელექტრონს ყოფნა არ შეუძლია, რადგანაც მაშინ ისინი ბირთვზე დაეცემიან.
ნახ. 4.
რეზერფორდის ატომის პლანეტარული მოდელი
რეზერფორდის მიერ შემოთავაზებული ატომის პლანეტარული მოდელი უდავოდ დიდი ნაბიჯი იყო ატომის აგებულების შეასახებ ცოდნის განვითარებაში. ის აუცილებელი იყო α-ნაწილაკების გაბნევის ცდების ასახსნელად, მაგრამ ვერ შეძლო თვით ატომის ხანგრძლივი არსებობის ახსნა, ანუ მისი მდგრადობა. კლასიკური ელექტროდინამიკის კანონების მიხედვით, აჩქარებულად მოძრავი მუხტი უნდა ასხივებდეს ელექტრომაგნიტურ ტალღას, რომელსაც ენერგია მიაქვს. მოკლე დროში (10–8 წმ რიგის) რეზერფორდის ყველა ელექტრონმა უნდა დახარჯოს მთელი მისი ენერგია და დაეცეს ბირთვს.
ის, რომ ეს არ ხდება მდგრად მდგომარეობაში მყოფ ატომში, უჩვენებს, რომ ატომის შინაგანი პროცესები კლასიკურ კანონებს არ ემორჩილება.