ФІЗИКА
Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА
Розділ 15 БУДОВА АТОМА
15.2. Досліди Резерфорда. Ядерна будова атомів
Кінетична теорія газів пов’язала коефіцієнти перенесення (дифузії, теплопровідності, внутрішнього тертя) із довжиною вільного пробігу і діаметром молекул. Дослідне вимірювання цих коефіцієнтів дало можливість оцінити газокінетичні діаметри молекул (атомів). Вони дорівнюють 10-10 м.
На той час уже було відкрито і досліджено катодне випромінювання, яке становило собою потік негативно заряджених частинок – електронів. Було
Спираючись на згадані вище відомості про властивості атомів, Дж. Томсон зробив першу спробу 1902 р. побудувати модель атомної структури, яку часто називають “пудингом з ізюмом”. За гіпотезою Томсона, атом – це сфера з діаметром близько 10-10 м, усередині якої зі сталою об’ємною густиною розподілений позитивний заряд. Сумарний позитивний заряд сфери дорівнює сумарному заряду електронів, які у вигляді окремих частинок містяться всередині сфери і взаємодіють з окремими елементарними об’ємами її відповідно до закону Кулона. Електрони, здійснюючи гармонічні коливання навколо рівноважних положень, випромінюють світло.
Модель Томсона мала дещо штучний характер, оскільки в ній позитивним і негативним зарядам приписувалась різна природа: одні з них – негативні – існували у вигляді окремих частинок – електронів, інші – розподілялись у межах набагато більших об’ємів зі сталою густиною. Залишався незрозумілим і той факт, що позитивні заряди не розлітаються під дією кулонівських сил відштовхування. Модель Томсона виявилась неспроможною пояснити лінійчастий характер спектра атомів гідрогену. Виходячи з неї, в спектрі гідрогену має спостерігатися лише одна лінія, тоді як насправді їх досить багато. Користуючись моделлю Томсона, не можна пояснити і періодичності у властивостях атомів. Проте, незважаючи на ці недоліки, протягом 10 років модель атома Томсона мала загальне визнання. На її основі було розроблено вчення про внутрішньоатомні вібратори, що пояснювало складний характер явищ дисперсії і поглинання світла, виникло вчення про поляризацію атомів, з’ясовано зміст діелектричної сталої і передбачено існування нуклідів.
Досліди Резерфорда 1911 р. довели помилковість припущення про те, що позитивний електричний заряд розміщений рівномірно в об’ємі атома. У дослідах, розпочатих Е. Резерфордом і продовжених Г. Гейгером, Е. Марсденом та іншими вченими, досліджувалось розсіяння α-частинок тонкими шарами речовини. Е. Резерфорд і його співробітники бомбардували мішені з різних хімічних елементів, спрямовуючи на них вузький пучок α-частинок. Ці частинки виникають при радіоактивному розпаді атомів деяких важких елементів. Вони несуть позитивний заряд, удвічі більший за елементарний. Швидкість, з якою α-частинка вилітає із радіоактивної речовини, може досягати 107 м/с. Маса α-частинки в 7300 разів більша за масу електрона, тому зіткнення α-частинки з електроном не може помітно загальмувати її рух або значно відхилити від початкового прямолінійного напряму руху. Проте зіткнення з масивним атомом спричинює значні зміни швидкості α-частинки і за значенням, і за напрямом. Щоб зробити висновок про характер зіткнень α-частинок з атомами, потрібно спостерігати траєкторії. Для цього існують два методи: можна спостерігати розсіяні α-частинки і можна фотографувати траєкторію окремої α-частинки.
Перший метод використали Е. Резерфорд, Г. Гейгер і Е. Марсден, а другий – Ч. Вільсон. α-частинки можна реєструвати за слабкими спалахами світла, що виникають при зіткненні їх з атомами деяких речовин – фосфорів. Найпростішим приладом, за допомогою якого можна спостерігати спалахи світла при зіткненні α-частинки з фосфором, є спінтарископ, винайдений У. Круксом. Здатність α-частинок йонізувати газ, в якому вони рухаються, використав Г. Гейгер для створення приладу, який давав змогу підраховувати їх. Цей прилад було названо лічильником Гейгера. Схему дослідів Резерфорда із розсіяння а-частинок зображено на рис. 15.1, де Q – крупинка радіоактивної речовини, що є джерелом α-частинок; Р – щілина, крізь яку проходить вузький пучок α-частинок; F – фольга з розсію – вальної речовини; S – спінтарископ для спостереження сцинтиляцій під різними кутами θ. Головна мета цих дослідів полягала у з’ясуванні питання, чи розподіляється позитивна електрика в усьому об’ємі атома, як вважав Дж. Томсон, чи вона зосереджена в певній ділянці атома (в його ядрі). У першому випадку α-частинка при зіткненні з атомом не могла б різко змінити напряму свого руху, в другому випадку (ядерна будова атома) прості розрахунки передбачали, що при зіткненні α-частинок з атомами мають спостерігатися найрізноманітніші кути відхилення α-частинки (навіть назад).
Рис. 15.1
За моделлю Томсона, атом є сферою з рівномірно розподіленим по її об’єму позитивним зарядом, в який вкраплені окремі негативні заряди. У цілому він нейтральний. Таку сферу α-частинки, що летіли з величезною швидкістю, мали б пробивати, за висловом Резерфорда, “як куля папір”. Проте деякі позитивно заряджені частинки різко змінюють свій напрям руху і навіть відскакують назад при зіткненні з металевими зразками. Це означало, що вони натикаються на якусь позитивно заряджену перешкоду, адже однойменні заряди, відповідно до закону Кулона, відштовхуються. Такою перешкодою міг бути лише атом. Проте атом загалом нейтральний. Тоді напрошується лише один висновок: модель атома Томсона неправильна. Весь позитивний заряд атома зосереджений у його центрі, окремо від негативно заряджених електронів. Тільки в такому випадку атом може бути перешкодою для α-частинок. Якщо при зіткненні α-частинки з ядром будь-якого атома центр ядра розміщений на прямій, по якій рухається α-частинка, то кінетична енергія її до моменту зупинення і зміни напряму швидкості на протилежний витрачається на подолання сил відштовхування між нею і ядром, тобто перетворюється в потенціальну енергію взаємодії заряду α-частинки 2е і заряду ядра Ze. Як відомо, потенціальна енергія взаємодії двох електричних зарядів залежить від відстані між ними і пропорційна добутку взаємодіючих зарядів, поділеному на відстань між ними. Якщо маса ядра значно більша від маси α-частинки (mя >> mα), то саме ядро можна розглядати як нерухоме. На таке нерухоме ядро налітає α-частинка зі швидкістю υ0 і кінетичною енергією mαυ02/2. Зрозуміло, що α-частинка підлетить до ядра на таку відстань b, при якій її кінетична енергія повністю витрачається на подолання електричних сил відштовхування, тобто перетвориться в потенціальну енергію системи. Для цього моменту можна записати
Із співвідношення (15.1), поданого в системі СГСЕ, можна визна чити відстань b, на яку підлітає α-частинка до ядра при центрально зіткненні їх:
Розглянемо більш загальний випадок, випадок нецентрального зіткнення, коли ядро атома розміщується на відстані р (АА’) від напряму руху α-частинки. Відстань р – це найменша відстань, на якій пролетіла б частинка, якби не було взаємодії між нею і ядром. Цю відстань називають параметром зіткнення, прицільною відстанню. Схему нецентрального зіткнення зображено на рис. 15.2.
Рис. 15.2
Задача про рух α-частинки поблизу ядра атома, де взаємодія характеризується силою Кулона (~1/r2), подібна до задачі Кеплера для руху планет і комет навколо Сонця, де гравітаційна сила також обернено пропорційна квадрату відстані між взаємодіючими тілами. Щоправда, в задачі Кеплера діє сила притягання, тому планети рухаються по еліпсах, комети по параболах, а центральне тіло – Сонце – розміщується в одному з внутрішніх фокусів їх. У цьому разі маємо справу із силами відштовхування, тому α-частинка рухатиметься по гіперболі, а центральне тіло – ядро атома – буде в зовнішньому її фокусі.
Розв’язуючи задачу про рух α-частинки поблизу ядра, застосовуючи закони класичної механіки, а саме закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу, можна дістати зв’язок між кутом розсіяння θ (кут між початковим і кінцевим напрямами руху α-частинки) і прицільною відстанню р:
Із співвідношення (15.3) випливає, що кут розсіяння α-частинки буде тим більший, чим ближче вона підлітає до ядра (менша прицільна відстань) і чим менша її кінетична енергія. Ця обставина пояснює, чому випадки великого відхилення α-частинок частіше спостерігаються в кінці пробігу, коли енергія їхнього руху стає порівняно малою.
Ураховуючи (15.2), співвідношення (15.3) можна переписати у вигляді
Отже, теоретичні розрахунки показують, що залежно від прицільної відстані р кути розсіяння θ мають бути різними і можуть змінюватись у межах від 0° для α-частинок, що пролітають між атомами далеко від атомних ядер, до 180° для частинок, що зустрічають ядра атомів на своєму шляху. Це є переконливим доказом справедливості формули (15.4). Порівнюючи результати розрахунків із результатами експериментальних спостережень розсіяння α-частинок, Е. Резерфорд, Г. Гейгер і Е. Марсден довели, що закон Кулона для взаємодії між ядром і α-частинкою залишається справедливим при зближенні їх до відстаней, дещо менших ніж 10-13 м. Проте закон Кулона справедливий лише для точкових електричних зарядів, тобто коли розміри заряджених частинок значно менші за відстань між ними. Це означає, що позитивний заряд атома зосереджений у невеличкій частині об’єму атома – ядрі, розміри якого мають бути значно меншими від 10-13 м. Дослідами Резерфорда було встановлено, що радіус атомних ядер аргентуму і ауруму не перевищує 3,2 ∙ 10-14 м, тобто радіус ядра приблизно в 10 000 разів менший від радіуса атома. Тепер установлено, що діаметр ядра атома-становить 10-15 м. Отже, до 1913 р. було з’ясовано, що атоми мають ядерну будову, причому в ядрі зосереджена майже вся маса атома; ядра мають розміри порядку 10-15 м; число електронів у атомі, що обертаються навколо ядра і зв’язані з ним силами кулонівського притягання, дорівнює атомному номеру Z елемента в періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва, а заряд ядра дорівнює Ze. Розміри атома і електронних орбіт настільки великі порівняно з розмірами ядра, що внутрішня структура ядра майже не впливає на взаємодію електронів з ядром, тому сили, що зв’язують електрони з ядром, підлягають закону Кулона.
Будова атома, за Резерфордом, на перший погляд, подібна до будови Сонячної системи, в якій сили взаємного притягання планет замінені кулонівською взаємодією електронів і ядра. У зв’язку з цією аналогією модель Резерфорда навіть дістала назву планетарної. Проте ця подібність умовна. На противагу планетам електрони відштовхуються один від одного, внутрішні електрони послаблюють вплив ядра на зовнішні електрони, вони, як кажуть, екранують ядро. На противагу планетам маси електронів, а також електричні заряди їх тотожні. І головне: атомам, на відміну від планетарних систем, властива виняткова стабільність. Незмінність властивостей будь-якого елемента вказує на те, що в ізольованому атомі електрони прагнуть зайняти певне положення, яке повністю визначається зарядом ядра і його масою. Довжини хвиль спектральних ліній не залежать від попередніх маніпуляцій, проведених над речовиною.
Проте модель Резерфорда не могла пояснити характерної стабільності атома. Згідно із законами класичної електродинаміки обертання електронів навколо ядра має спричинювати граничну нестійкість: воно супроводжуватиметься електромагнітним випромінюванням, унаслідок чого енергія електрона, а разом з нею і швидкість його руху навколо ядра поступово зменшуватиметься і, зрештою, електрон неодмінно впаде на ядро, і, отже, атом припинить своє існування. Відповідні розрахунки засвідчують, що час життя атома не може перевищувати мільйонної частки секунди. З погляду класичної електродинаміки виняткова стабільність атомів суперечить факту ядерної будови їх.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)