Чтобы понять, как и почему эти составные части при обычных условиях удерживаются вместе, необходимо исследовать, какого рода силы действуют между ядром и электронами в каждом атоме. Опыты Резерфорда, описанные в предыдущей главе, показали, что это силы электрического притяжения, действующие между разноименными зарядами, они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды, и по величине обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами. Этот закон был открыт еще в XVIII в. Шарлем Кулоном, который изучал электрические силы, действующие между заряженными шариками из сердцевины бузины, однако данный закон позволяет также точно описывать электрическое взаимодействие двух ядер или ядра и электронов.

В атоме, содержащем несколько электронов, помимо сил притяжения между ядром и электронами действуют и силы отталкивания между электронами. Но поскольку заряд электрона составляет лишь долю заряда ядра, сила отталкивания между электронами играет в атоме обычно менее важную роль, чем сила притяжения каждого электрона к ядру. Рассмотрим простейший атом — атом водорода, состоящий из ядра и одного электрона. Атом водорода может сохранять устойчивость лишь в том случае, если в нем непрерывно происходит какое-то внутреннее движение, поскольку, если бы электрон и ядро покоились, сила электрического притяжения заставила бы их сближаться, и они столкнулись бы уже через 10~16 с. Можно было бы мысленно расположить электроны и ядро в сложном атоме так, чтобы там не было внутреннего движения и все силы взаимно уравновешивались.

Однако подобное равновесие было бы неустойчиво, как неустойчиво равновесие вертикально поставленной длинной указки, и любое внешнее возмущение (например, соседство другого атома) нарушило бы его; в результате либо атом распался бы на части, либо все его электроны слились бы с ядром. Следовательно, для устойчивости атома необходимо, чтобы внутри него существовало непрерывное движение. Одной из возможных форм внутриатомного движения является движение электрона по замкнутой орбите вокруг ядра, напоминающее, например, движение планеты вокруг Солнца. Как известно, движение планеты вокруг Солнца устойчиво; можно ожидать, что обращающийся вокруг ядра электрон ведет себя подобным образом. Опыты Резерфорда по рассеянию частиц привели его к созданию планетарной модели атома. В модели Резерфорда, которая во многом соответствует современным представлениям, положительный заряд сконцентрирован в центре атома — в небольшой области, занимающей малую долю его объема. Отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг ядра по различным орбитам, радиус которых примерно равен размерам атома (или, для некоторых электронов, несколько меньше).

Однако дальнейшее развитие аналогии между атомом и Солнечной системой привело к противоречиям, устранить которые удалось лишь после коренного пересмотра законов, описывающих движение атомов и их составных частей. Соответствующие новые законы последовательно разрабатывались в период 1913 – 1927 гг. и легли в основу новой науки — квантовой механики; это название указывает отличие новой механики от классической, ньютоновой, которая справедлива для обычных объектов. Следует подчеркнуть, что планетарная модель атома вполне согласуется с известными его свойствами именно потому, что электроны ведут себя в соответствии с законами квантовой механики, а не механики Ньютона.

Основное расхождение между планетарной моделью атома, построенной на основе законов классической механики, и наблюдаемыми свойствами атомов состоит в следующем. Согласно этой модели, атом любого типа может встречаться в бесконечном числе копий, отличающихся друг от друга размерами и конфигурацией электронных орбит. Девять планет Солнечной системы движутся только по своим определенным (девяти) орбитам, однако кометы, астероиды, искусственные спутники движутся по самым разнообразным орбитам. Мы можем запустить искусственный спутник Земли или Солнца на любую выбранную нами из бесконечного числа орбит, которые в принципе возможны в Солнечной системе.