Čovečanstvo je za postojanje atomskih jezgara saznalo tek pre 100 godina. To nas, međutim, nije sprečilo da za ovaj relativno kratak vremenski interval spoznamo svet na nuklearnom nivou i time dovedemo do napretka ljudske civilizacije, ali i da natkrijemo svet neprestanom bojazni od neke nuklearne katastrofe ( imali smo jednu takvu baš na 100. godišnjicu otkrića atomskog jezgra u martu ove godine).
Do pre sto godina atom je bio shvaćen kao lopta pozitivnog naelektrisanja, poput fluida koji bi sadržavao najveći deo atomske mase, u koji su „usađeni“ elektroni tako da je ukupno pozitivno nelektrisanje lopte jednako ukupnom negativnom naelektrisanju kojeg nose elektroni, te je atom kao celina električno neutralan. Ovo je bio Tompsonov tzv. "plum pudding" model atoma (kao puding od šljiva; elektroni u atomu raspoređeni su kao suve šljive u pudingu), Sl.1.
Sl.1.
J.J. Tompson je razvijajući ovaj model tragao za stabilnim konfiguracijama pomenutog sistema koje bi imale modove oscilovanja koji odgovaraju poznatim frekvencijama spektralnih linija pojedinih atoma. Jedna od poteškoća sa svim takvim konfiguracijama je bila ta da elektrostatičke sile same ne bi mogle da obezbede stabilnu ravnotežu. Prema tome, naelektrisanja bi se morala kretati i ostajući unutar zapremine atoma morala bi se ubrzavati , što bi rezultiralo kontinualnom raspodelom zračenja, koja nije eksperimentalno posmatrana.
Dakle, ovakav model atoma nije mogao da objasni diskretne linije u atomskim emisionim spektrima koje su bile detektovane.
Serija eksperimenata koja je dovela do novog shvatanja o strukturi atoma 1911. godine bila je izvedena od strane Ernesta Raderforda i njegovih studenata Gajgera i Marsdena. Proučavajući pojavu radioaktivnosti oni su shvatili da masivne, visoko-energetske α čestice koje spontano emituju pojedine radioaktivne supstance, poput radijuma i uranijuma mogu da posluže kao odlični „projektili“ kojima bi se ispitala unutrašnjost atoma. Dakle, ideja je bila da se atomi metala, poput zlata i srebra „gađaju“ α česticama , te da se zatim posmatra njihovo skretanje sa prvobitne putanje ( rasejanje ). Zlatna folija koja je izlagana snopu ovih čestica je pogodna jer se mogu proizvesti ultra-tanke debljine ( oko 2000 atomskih prečnika ) , te se izbegava zaustavljanje i apsorpcija α čestica u folijama, odnosno omogućeno je praćenje, tj. detekcija čestica nakon interakcije sa atomima folije. Shema eksperimenta je prikazana na Sl.2.
Sl.2
U eksperimentu se ispituje koliki broj α čestica se detektuje pod raznim uglovima θ u odnosu na njihov upadni pravac, posmatrano u odnosu na ukupan broj α čestica koje u toku određenog vremena padnu na foliju. Detektovanje čestica omogućeno je zahvaljujući scintilacijama (svetlucanju) koje one izazivaju prilikom pada na ekran koji sadrži cink-sulfid. Imajući u vidu da domet α čestica u vazduhu iznosi samo nekoliko centimetara, radioaktivni izvor (radijum-226), zlatna folija i scintilacioni ekran su morali biti postavljeni unutar komore iz koje je evakuisan vazduh.
Ukoliko bi Tompsonov model bio korektan, iz eksperimenta se moglo očekivati da će sve α čestice, imajući u vidu da se radi o masivnim česticama ( više od 7000 puta masivnije od elektrona ), prolaziti kroz foliju praktično pravolinijski - bez otklona, ili će biti skrenute za vrlo male uglove,mnogo manje od 1°, Sl.3.
Sl.3
Ipak, neočekivano, mali broj α čestica je bio skrenut za veoma velike uglove (Sl.4), ponekad veće i od 90°, čak i odbijen gotovo unatrag .
Sl.4
Ovo je značilo da se poneka alfa čestica na svom putu sudarila sa masivnim, kompaktnim objektom, malih dimenzija ( mnogo manjih od dimenzija atoma ) u kojem je sadržana gotovo sva masa atoma, Sl.5. Bilo je ovo jedno jedno od najvećih otkrića u fizici – OTKRIĆE ATOMSKOG JEZGRA.
Sl.5
Neočekivana rasejanja pod velikim uglovima bila su opisana od strane Raderforda konstatacijom da je to bio neverovatan događaj u njegovom životu- toliko neverovatan da kao kada biste ispalili 15-inčni projektil na list hartije i on se vratio i udario vas.
Ovo otkriće je udarilo temenlje Raderfordovom ( planetarnom ) modelu atoma po kojem se atom sastoji od pozitivno naelektrisanog atomskog jezgra u kojem je skoncentrisana skoro sva atomska masa i oko kojeg se kreću elektroni. Dimenzije atomskog jezgra su reda veličine 10-14 m, tj. jezgro je oko 10 000 puta manje od dimenzija atoma,što znači da je u atomu mnogo "praznog prostora".
Međutim, tek je Borov model atoma objasnio njegovu stabilnost i linijske atomske spektre.
