О том, что атом по своему устройству похож на Солнечную систему, первым догадался британский ученый Эрнест Резерфорд (1871–1937). В 1909 г. два физика — немец Ганс Гейгер и новозеландец Эрнест Марсден — под руководством Резерфорда направили поток альфа-частиц (гелиевых ядер, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) на фольгу и обнаружили, что не все частицы прошли сквозь металл — некоторые отскочили. Поразмыслив, почему так произошло, Резерфорд нашел такое объяснение: вероятно, ядра гелия натыкались на ядра атомов металла, а поскольку заряд у ядер всегда положительный, при встрече они отталкиваются. Данная гипотеза вдохновила ученого разработать модель атома, актуальную и в наши дни.
Согласно этой модели, посередине атома расположено ядро, заполненное положительно заряженными частицами, а вокруг него движутся отрицательные частицы — электроны. Ядро подобно Солнцу, а электроны напоминают планеты, обращающиеся по круговым орбитам. И если планеты удерживаются на своих орбитах силами гравитации, то электронам в этом помогает электромагнитное поле. Ядро очень массивное: в нем сконцентрирована почти вся тяжесть атома, и от столкновений с легкими электронами ему ни холодно ни жарко — оно спокойно продолжает свой путь. Поэтому альфа-частицы преимущественно проходили сквозь фольгу; с пути сбились только те из них, которым «посчастливилось» столкнуться со столь же тяжелыми ядрами металла.
Когда Резерфорд рассказал о своем открытии другим ученым, его планетарный атом сразу же вытеснил «кексовую» модель, созданную Джозефом Томсоном и являвшую собой положительно заряженное облако-тесто, в котором снуют электроны-изюминки (ядрá в модели не предполагалось). Более того, эксперимент, проведенный Марсденом и Гейгером, послужил образцом для всех последующих опытов в сфере ядерной физики — с той поры ученые наблюдали за поведениемэлементарных частиц, стреляя ими по атомам, отдельным ядрам либо целым металлическим пластинам.
Конечно, развитие квантовой теории внесло свои коррективы в модель Резерфорда, ведь Солнечная система относится к видимому макромиру, а атомы — представители микромира, где действуют другие законы. Как позже выяснил датский ученый Нильс Бор, орбиты, по которым перемещаются электроны, — это энергетические уровни, и отрицательные частицы то и дело перескакивают с одного уровня на другой, вследствие чего атом выделяет или поглощает определенные порции-кванты энергии, соответствующие данным уровням. (Ни Земля, ни Марс, ни любая другая планета не смогли бы перепрыгнуть со своей орбиты на соседнюю.)