Naf-st >> основи >> Будову атома. Частина перша. Початок

10.10.2015

Будова атома. Частина перша. Початок

Пам’ятайте про Джозефа Джона Томсона (Джі-Джі), який порахував частинки негативного електрики? Якщо не пам’ятаєте, про це написано тут. До речі, багато хто вважає саме Томсона першовідкривачем електрона. В якійсь мірі може і так, адже Гельмгольц тільки припустив, що таке може бути, а Джі-Джі не тільки припустив, але і порахував. Але зараз не про це, було у Томсона багато відкриттів, і одне з них не зовсім звичайне.

У 1895 році Томсон, так би мовити, відкрив молодого вченого з Нової Зеландії, тільки що приїхав в Англію — Ернеста Резерфорда (1871-1937). Дізнавшись про відкриття П’єром і Марією Кюрі природної радіоактивності, Резерфорд дуже зацікавився цим явищем і сам почав ставити досліди з радієм і іншими радіоактивними речовинами. Між іншим, назви альфа-. бета- та гамма- промені придумав саме Резерфорд. Але Резерфорда цікавили не самі промені, а те, чому вони виникають, і як взагалі влаштована матерія.

Про те, що всі речовини складаються з окремих атомів, вчені до початку XX століття вже знали досить добре. Вони уявляли собі й розміри атома — приблизно 10 -10 метра. Будь-яка хімічна реакція, на їхню думку, полягала в тому, що атоми різних хімічних елементів або з’єднуються між собою, утворюючи молекули, або, навпаки, поділяються на окремі атоми. Самі атоми представлялися вченим твердими кульками, щільно упакованими в речовині. Вважалося також, що електрони міцно приклеєні до атомів.

Спочатку Резерфорд ставив досліди з розчинами радіоактивних речовин. Виявилося, що окремі альфа-частинки, що вилітають з радіоактивної речовини, збираються в розчині в пухирці, а ці бульбашки піднімаються нагору. Над розчином накопичується, таким чином, щось, що спочатку назвали еманацією. Після дослідження цієї плівки Резерфордом з співробітниками виявилося, що еманація — це всього лише атоми гелію, а вони заряджені позитивно, тому що у них не вистачає електрона.

Потім Резерфорд почав ставити на шляху альфа-частинок найтонші листочки з різних металів. Побачив, що альфа-частинки дуже навіть вільно через ці листочки пролітають. Ось тут-то Резерфорду довелося серйозно задуматися. Металеві листочки складаються з атомів, що й альфа-частинки — це теж атоми. Якщо атоми — це великі і тверді кульки і розташовані вони в металевому аркуші впритул один до одного, то як же тоді інші атоми, теж тверді кульки, можуть через такі листочки пролітати? Значить насправді все не так. Металевий листочок — це не кульки, розташовані впритул один до одного, а порожнеча. Резерфорд першим побачив світ «очима елементарних частинок».

Але в цій порожнечі щось повинно бути. Резерфорд вирішив, що атоми — це все-таки кульки, але кульки дуже маленькі, такі, що між ними залишається багато порожнього простору. Тепер треба було виміряти розміри цих маленьких кульок. Став Резерфорд експериментувати з проходженням альфа-частинок через різні матеріали.

В маленьку свинцеву коробочку з отвором містилося радіоактивна речовина. Через товстий шар свинцю альфа-частинки не проходять. Тому вони виходили тільки через отвір тонким пучком. Потім за допомогою магніту альфа-частинки відділялися від бета — і гамма-частинок. У магнітному полі позитивно заряджені альфа-частинки відхиляються в одну сторону, негативно заряджені бета-частинки — в іншу, а гамма-промені взагалі нікуди не відхиляються. Чистий пучок альфа-часток Резерфорд направляв на тонкий лист металу, а за цим листом ставили екран, покритий люмінофором. Кожна альфа-частинка, пролетівша крізь металевий листок, билися об екран і викликала на ньому крихітну спалах світла. Такі спалахи назвали тоді сцинтилляцией .

Багато місяців спостерігали Резерфорд і його учні, серед яких був і Чарлз Дарвін, онук того самого Дарвіна, ці сцинтиляції. Виявилося, що не всі альфа-частинки пролітають через металевий листок по прямій лінії. Багато з них відхиляються в різні сторони, а дуже рідко зустрічаються і такі, які взагалі повертають назад і летять у зворотному напрямку.

Альфа-частинка — це позитивно заряджене ядро атома гелію. Якось подіяти на таку частку, змусити її відхилитися може тільки позитивний електричний заряд. Значить, маленькі кульки, з яких складається речовина, заряджені позитивно. Тепер вже розрахувати розмір цих кульок не складало труднощів. Потрібно було тільки порахувати, скільки часток відхиляється на даний кут. Тепер відомо, що розміри цих кульок — атомних ядер — мають порядок 10 -15 метра.

якось взимку 1911 року увійшов Резерфорд в лабораторію і гучно оголосив: «Тепер я знаю, як виглядає атом!» По Резерфорду атом виглядав так. У центрі знаходиться ядро з позитивним зарядом, рівним цілому числу, помноженій на величину заряду електрона, але з протилежним знаком. Навколо ядра, як планети навколо Сонця, обертаються електрони. Електронів рівно стільки, скільки одиниць позитивного заряду в ядрі. Так що в цілому атом електрично нейтральний. Відстань від ядра до електрона приблизно в сто тисяч разів більше розмірів самого ядра. Тому будь-яка речовина, як не раз говорилося, є порожнеча, а подекуди в цій порожнечі розташовані ядра з обертовими навколо них електронами. Тому й альфа-частинки в більшості своїй проходять через речовину абсолютно вільно. Лише ті деякі з них, які пролітають дуже близько від ядра, відчувають електростатичну силу відштовхування. Оскільки ядро атома металу набагато важче альфа-частинок, то відхиляється саме альфа-частинка. І, нарешті, зовсім-зовсім небагато альфа-частинки, які летять прямо на ядро. відштовхуються від нього і повертають назад.

Електрони обертаються навколо ядра тому, що ядро заряджена позитивно, а електрон негативно. Різнойменні заряди притягуються, тому якби електрон просто перебував десь поблизу ядра, він би обов’язково притянулся до нього і впав на ядро. А він не падає, оскільки обертається. Нижче на малюнку показаний найпростіший з атомів — атом водню за поданням Резерфорда.

У центрі кулька з одиничним позитивним зарядом, протон, а навколо по орбіті обертається негативно заряджений кулька, електрон. Маса протона в 1840 разів більше маси електрона, це і без Резерфорда було відомо, тому протон в якійсь мірі можна вважати нерухомим.

Відкриття Резерфорда вразила розуми практично всіх тодішніх фізиків. Мало того, що відразу вдалося пояснити результати різноманітних дослідів, в тому числі і з проходженням альфа-частинок. Ідея Резерфорда була просто красива. Виявляється, світ і у великому, і в малому влаштовано однаково. Електрони обертаються навколо ядра, як планети навколо Сонця. І у великому, і в малому світ підкоряється одним і тим же законам, які відкрив ще Ньютон.

Але все виявилося не таким вже приємним. Про труднощі, з якими зіткнувся Резерфорд, поговоримо на наступній сторінці.

Короткий опис статті: будова атома

Джерело: naf-st >> Самі основи >> Будова атома. Частина перша. Початок

Також ви можете прочитати