Часть 5 АТОМНАЯ ФИЗИКА

Раздел 15 СТРОЕНИЕ АТОМА

15.2. Опыты Резерфорда. Ядерное строение атомов

Кинетическая теория газов связала коэффициенты переноса (диффузии, теплопроводности, внутреннего трения) с длиной свободного пробега и диаметром молекул. Опытное измерение этих коэффициентов дало возможность оценить газокінетичні диаметры молекул (атомов). Они равны 10^-10 м.

На то время уже было открыто и исследовано катодное излучение, которое представляло собой поток отрицательно заряженных частиц - электронов. Было установлено, что электроны отрываются от атомов, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Измерения удельного заряда q/m электронов и ионов показали, что масса электрона намного меньше массы атома. Итак, было доказано, что нейтральные атомы - сложные системы отрицательно и положительно заряженных частиц. Положительный заряд связан с основной массой атома, но распределение его внутри атома сведений не было. Наличие внутри атома заряженных частиц подтверждалась и способностью атомов излучать и поглощать электромагнитные волны отдельных, характерных для каждого элемента длин волн (частот). Установлено также, что изолированные атомы излучают лінійчасті спектры, при этом разные излучаемые атомами частоты связаны между собой определенными соотношениями.

Опираясь на упомянутые выше сведения о свойствах атомов, Дж. Томсон сделал первую попытку 1902 г. построить модель атомной структуры, которую часто называют «пудингом с изюмом». По гипотезе Томсона, атом - это сфера с диаметром около 10^-10 м, внутри которой с постоянной объемной плотностью распределен положительный заряд. Суммарный положительный заряд сферы равен суммарному заряду электронов, которые в виде отдельных частиц содержатся внутри сферы и взаимодействуют с отдельными элементарными объемами ее в соответствии к закону Кулона. Электроны, совершая гармонические колебания вокруг равновесных положений, излучают свет.

Модель Томсона имела несколько искусственный характер, поскольку в ней положительным и отрицательным зарядам приписывалась разная природа: одни из них - негативные - существовали в виде отдельных частиц - электронов, другие - распределялись в пределах гораздо больших объемов с постоянной плотностью. Оставался непонятным и тот факт, что положительные заряды не разлетаются под действием кулоновских сил отталкивания. Модель Томсона оказалась несостоятельной объяснить лінійчастий характер спектра атомов водорода. Исходя из нее, в спектре водорода должна наблюдаться только одна линия, тогда как на самом деле их довольно многие. Пользуясь моделью Томсона, не можно объяснить и периодичности в свойствах атомов. Однако, несмотря на эти недостатки, в течение 10 лет модель атома Томсона имела всеобщее признание. На ее основе было разработано учение о внутрішньоатомні вибраторы, что объясняло сложный характер явлений дисперсии и поглощения света, возникло учение о поляризацию атомов, выяснено содержание диэлектрической постоянной и предусмотрено существование нуклидов.

Опыты Резерфорда 1911 г. доказали ошибочность предположения о том, что положительный электрический заряд размещен равномерно в объеме атома. В опытах, начатых Е. Резерфордом и продленных Г. Гейгером, Е. Марсденом и другими учеными, исследовалось рассеяние α-частиц тонкими слоями вещества. Е. Резерфорд и его сотрудники подвергли бомбардировке мишени из различных химических элементов, направляя на них узкий пучок α-частиц. Эти частицы возникают при радиоактивном распаде атомов некоторых тяжелых элементов. Они несут положительный заряд, в два раза больше за элементарный. Скорость, с которой α-частица вылетает из радиоактивной вещества, может достигать 10⁷ м/с. Масса α-частицы в 7300 раз больше массы электрона, поэтому столкновение α-частицы с электроном не может заметно затормозить ее движение или значительно отклонить от первоначального прямолинейного направления движения. Однако столкновение с массивным атомом вызывает значительные изменения скорости α-частицы и по значению, и по направлению. Чтобы сделать вывод о характере столкновений α-частиц с атомами, нужно наблюдать траектории. Для этого существуют два метода: можно наблюдать рассеянные α-частицы и можно фотографировать траекторию отдельной α-частицы.

Первый метод использовали Е. Резерфорд, Г. Гейгер и Э. Марсден, а второй - Ч. Вильсон. α-частицы можно регистрировать по слабыми вспышками света, возникающих при столкновении их с атомами некоторых веществ - фосфоров. Простейшим прибором, с помощью которого можно наблюдать вспышки света при столкновении α-частицы с фосфором, является спінтарископ, изобретенный В. Круксом. Способность α-частиц йонізувати газ, в котором они двигаются, использовал Г. Гейгер для создания прибора, который позволял подсчитывать их. Этот прибор был назван счетчиком Гейгера. Схема опытов Резерфорда с рассеяние а-частиц изображена на рис. 15.1, где Q - крупинка радиоактивного вещества, что является источником α-частиц; Г - щель, сквозь которую проходит узкий пучок α-частиц; F - фольга с розсію - ных вещества; S - спінтарископ для наблюдения сцинтилляций под разными углами θ. Главная цель этих опытов заключалась в выяснении вопрос, распределяется положительная электричество во всем объеме атома, как считал Дж. Томсон, или она сосредоточена в определенном участке атома (в его ядре). В первом случае α-частица при столкновении с атомом не могла бы резко изменить направления своего движения, во втором случае (ядерная строение атома) простые расчеты предсказывали, что при столкновении α-частиц с атомами имеют наблюдаться самые разнообразные углы отклонения α-частицы (даже назад).

Рис. 15.1

По модели Томсона, атом является сферой с равномерно распределенной по ее объему положительным зарядом, в который вкраплены отдельные негативные заряды. В целом он нейтрален. Такую сферу α-частицы, что летели с огромной скоростью, имели бы пробивать, по выражению Резерфорда, «как шар бумагу». Однако некоторые положительно заряженные частицы резко меняют свой направление движения и даже отскакивают назад при соприкосновении с металлическими образцами. Это означало, что они натыкаются на некую положительно заряженную препятствие, ведь одноименные заряды, согласно закону Кулона, отталкиваются. Такой препятствием мог быть только атом. Однако атом в целом нейтрален. Тогда напрашивается лишь один вывод: модель атома Томсона неправильная. Весь положительный заряд атома сосредоточен в его центре, отдельно от негативно заряженных электронов. Только в таком случае атом может быть препятствием для α-частиц. Если при столкновении α-частицы с ядром любого атома центр ядра размещен на прямой, по которой движется α-частица, то ее кинетическая энергия до момента остановки и изменения направления скорости на противоположное тратится на преодоления сил отталкивания между ней и ядром, то есть превращается в потенциальную энергию взаимодействия заряда α-частицы 2е и заряда ядра Ze. Как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух электрических зарядов зависит от расстояния между ними и пропорциональна произведению взаимодействующих зарядов, деленному на расстояние между ними. Если масса ядра значительно больше массы α-частицы (m_я >> m_α), то само ядро можно рассматривать как недвижимое. На такое недвижимое ядро налетает α-частица со скоростью υ₀ и кинетической энергией m_αυ₀²/2. Понятно, что α-частица подлетит к ядру на такую расстояние b, при которой ее кинетическая энергия полностью расходуется на преодоление электрических сил отталкивания, т.е. превратится в потенциальную энергию системы. Для этого момента можно записать

Из соотношения (15.1), поданного в системе СГСЭ, можно опреде читы расстояние b, на которую подлетает α-частица к ядру при центрально столкновении их:

Рассмотрим более общий случай, случай нецентрального столкновения, когда ядро атома размещается на расстоянии р (АА') от направления движения α-частицы. Расстояние г - это наименьшая расстояние, на котором пролетела бы частица, если бы не было взаимодействия между ней и ядром. Это расстояние называют параметром столкновения, прицельным расстоянием. Схему нецентрального столкновения изображено на рис. 15.2.

Рис. 15.2

Задача о движение α-частицы вблизи ядра атома, где взаимодействие характеризуется силой Кулона (~1/r²), подобная задачи Кеплера для движения планет и комет вокруг Солнца, где гравитационная сила также обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Правда, в задаче Кеплера действует сила притяжения, поэтому планеты движутся по еліпсах, кометы по параболах, а центральное тело - Солнце - размещается в одном из внутренних фокусов их. В этом случае имеем дело с силами отталкивания, поэтому α-частица будет двигаться по гиперболе, а центральное тело - ядро атома - будет в ее внешнем фокусе.

Решая задачу о движении α-частицы вблизи ядра, применяя законы классической механики, а именно законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, можно получить связь между углом рассеяния θ (угол между начальным и конечным направлениям движения α-частицы) и прицельным расстоянием р:

Из соотношения (15.3) следует, что угол рассеяния α-частицы будет тем больше, чем ближе она подлетает к ядру (меньшая прицельная расстояние) и чем меньше ее кинетическая энергия. Это обстоятельство объясняет, почему случаи большого отклонения α-частиц чаще наблюдаются в конце пробега, когда энергия их движения становится сравнительно малой.

Учитывая (15.2), соотношение (15.3) можно переписать в виде

Следовательно, теоретические расчеты показывают, что в зависимости от прицельного расстояния г углы рассеяния θ должны быть разными и могут варьироваться в пределах от 0° для α-частиц, пролетающих между атомами далеко от атомных ядер до 180° для частиц, встречают ядра атомов на своем пути. Это является убедительным доказательством справедливости формулы (15.4). Сравнивая результаты расчетов с результатами экспериментальных наблюдений рассеяния α-частиц, Е. Резерфорд, Г. Гейгер и Е. Марсден доказали, что закон Кулона для взаимодействия между ядром и α-частицей остается справедливым при сближении их до расстояний, немного меньших чем 10^-13 м. Однако закон Кулона справедлив только для точечных электрических зарядов, т.е. когда размеры заряженных частиц значительно меньше расстояние между ними. Это означает, что положительный заряд атома сосредоточен в небольшой части объема атома - ядре, размеры которого должны быть значительно меньше 10^-13 м. Опытами Резерфорда было установлено, что радиус атомных ядер аргентуму и ауруму не превышает 3,2 ∙ 10^-14 м, т.е. радиус ядра примерно в 10 000 раз меньше радиуса атома. Теперь установлено, что диаметр ядра атома^-составляет 10^-15 м. Итак, в 1913 г. было выяснено, что атомы имеют ядерное строение, причем в ядре сосредоточена почти вся масса атома; ядра имеют размеры порядка 10^-15 м; число электронов в атоме вращаются вокруг ядра и связанные с ним силами кулоновского притяжение, равно атомному номеру Z элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, а заряд ядра равен Ze. Размеры атома и электронных орбит настолько велики по сравнению с размерами ядра, внутренняя структура ядра почти не влияет на взаимодействие электронов с ядром, поэтому силы, связывающие электроны с ядром, подлежат закону Кулона.

Строение атома, за Резерфордом, на первый взгляд, подобная строения Солнечной системы, в которой силы взаимного притяжения планет заменены кулоновским взаимодействием электронов и ядра. В связи из этой аналогии модель Резерфорда даже получила название планетарной. Однако эта сходство условное. В противоположность планетам электроны отталкиваются друг от одного, внутренние электроны ослабляют влияние ядра на внешние электроны, они, как говорят, экранируют ядро. В противоположность планетам массы электронов, а также электрические заряды их тождественны. И главное: атомам, в отличие от планетарных систем, свойственна исключительная стабильность. Неизменность свойств любого элемента указывает на то, что в изолированном атоме электроны стремятся занять определенное положение, которое полностью определяется зарядом ядра и его массой. Длины волн спектральных линий не зависят от предыдущих манипуляций, проводимых над веществом.

Однако модель Резерфорда не могла объяснить характерной стабильности атома. Согласно законам классической электродинамики вращения электронов вокруг ядра должно вызывать предельную неустойчивость: оно будет сопровождаться электромагнитным излучением, вследствие чего энергия электрона, а вместе с ней и скорость его движения вокруг ядра постепенно уменьшаться и, в конце концов, электрон непременно упадет на ядро, и, следовательно, атом прекратит свое существование. Соответствующие расчеты показывают, что время жизни атома не может превышать миллионной доли секунды. С точки зрения классической электродинамики исключительная стабильность атомов противоречит факту ядерного строения их.