Стали важным шагом в развитии физики. Огромное значение имела модель Резерфорда. Атом как система и частицы, его составляющие, был изучен более точно и подробно. Это привело к успешному становлению такой науки, как ядерная физика.

Античные представления о строении вещества

Предположение о том, что окружающие тела состоят из мельчайших частиц, были высказаны еще в античные времена. Мыслители того времени представляли атом в виде мельчайшей и неделимой частицы любого вещества. Они утверждали, что нет во Вселенной ничего меньшего по размеру, чем атом. Таких взглядов придерживались великие древнегреческие ученые и философы - Демокрит, Лукреций, Эпикур. Гипотезы этих мыслителей сегодня объединены под названием «античный атомизм».

Средневековые представления

Времена античности прошли, и в средние века также были ученые, которые высказывали различные предположения о строении веществ. Однако преобладание религиозных философских взглядов и власть церкви в тот период истории на корню пресекали любые попытки и стремления человеческого разума к материалистическим научным выводам и открытиям. Как известно, средневековая инквизиция весьма недружелюбно вела себя с представителями научного мира того времени. Остается сказать, что у тогдашних светлых умов было пришедшее из античности представление о неделимости атома.

Исследования 18-19 веков

18 столетие было отмечено серьезными открытиями в области элементарного строения вещества. Во многом благодаря стараниям таких ученых, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов и Независимо друг от друга они сумели доказать, что атомы действительно существуют. Но вопрос об их внутреннем строении оставался открытым. Конец 18 века был отмечен таким знаменательным событием в научном мире, как открытие Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов. Это стало по-настоящему мощным прорывом того времени и приоткрыло завесу над пониманием того, что все атомы имеют единую природу, что они родственны друг другу. В дальнейшем, в 19 веке, еще одним важным шагом на пути к разгадке строения атома стало доказательство того, что в составе любого из них присутствует электрон. Работа ученых этого периода подготовила благодатную почву для открытий 20-го века.

Эксперименты Томсона

Английский физик Джон Томсон в 1897 году доказал, что в состав атомов входят электроны с отрицательным зарядом. На этом этапе ложные представления о том, что атом - предел делимости любого вещества, были окончательно разрушены. Как же Томсон сумел доказать существование электронов? Ученый в своих опытах помещал в сильно разреженные газы электроды и пропускал электрический ток. В результате возникали катодные лучи. Томсон тщательно изучил их особенности и обнаружил, что они являются потоком заряженных частиц, которые движутся с огромной скоростью. Ученый сумел высчитать массу этих частиц и их заряд. Он также выяснил, что их нельзя преобразовать в нейтральные частицы, поскольку электрический заряд - это основа их природы. Так были Томсон является и создателем первой в мире модели строения атома. Согласно ей, атом - это сгусток положительно заряженной материи, в которой равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Такое строение объясняет общую нейтральность атомов, так как противоположные заряды уравновешивают друг друга. Опыты Джона Томсона стали неоценимо важными для дальнейшего изучения строения атома. Однако многие вопросы оставались без ответа.

Исследования Резерфорда

Томсон открыл существование электронов, но он не сумел найти в атоме положительно заряженных частиц. исправил это недоразумение в 1911 году. Во время экспериментов, изучая активность альфа-частиц в газах, он обнаружил, что в атоме присутствуют частицы, положительно заряженные. Резерфорд увидел, что при прохождении лучей сквозь газ или через тонкую металлическую пластину происходит резкое отклонение незначительного количества частиц от траектории движения. Их буквально отбрасывало назад. Ученый догадался, что такое поведение объясняется столкновением с положительно заряженными частицами. Такие эксперименты позволили физику создать модель строения атома Резерфорда.

Планетарная модель

Теперь представления ученого несколько отличались от предположений, высказанных Джоном Томсоном. Разными стали и их модели атомов. позволил ему создать совершенно новую теорию в этой области. Открытия ученого имели решающее значение для дальнейшего развития физики. Модель Резерфорда описывает атом как ядро, расположенное в центре, и движущиеся вокруг него электроны. Ядро обладает положительным зарядом, а электроны - отрицательным. Модель атома по Резерфорду предполагала вращение электронов вокруг ядра по определенным траекториям - орбитам. Открытие ученого помогло объяснить причину отклонения альфа-частиц и стало толчком к развитию ядерной теории атома. В модели атома Резерфорда прослеживается аналогия с движением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Это очень точное и яркое сравнение. Поэтому модель Резерфорда, атом в которой движется вокруг ядра по орбите, была названа планетарной.

Работы Нильса Бора

Двумя годами позже датский физик Нильс Бор попытался объединить представления о строении атома с квантовыми свойствами светового потока. Ядерная модель атома Резерфорда была положена ученым в основу его новой теории. По предположению Бора, атомы вращаются вокруг ядра по круговым орбитам. Такая траектория движения приводит к ускорению электронов. Кроме того, кулоновское взаимодействие этих частиц с центром атома сопровождается созданием и расходованием энергии для поддержания пространственного электромагнитного поля, возникающего из-за движения электронов. При таких условиях отрицательно заряженные частицы должны когда-нибудь упасть на ядро. Но этого не происходит, что указывает на большую устойчивость атомов как систем. Нильс бор понял, что законы классической термодинамики, описанные уравнениями Максвелла, не работают во внутриатомных условиях. Поэтому ученый поставил перед собой задачу вывести новые закономерности, которые были бы справедливы в мире элементарных частиц.

Постулаты Бора

Во многом благодаря тому, что существовала модель Резерфорда, атом и его составляющие были неплохо изучены, Нильс Бор смог подойти к созданию своих постулатов. Первый из них гласит о том, что атом имеет при которых он не изменяет свою энергию, а электроны при этом движутся по орбитам, не меняя своей траектории. Согласно второму постулату, при переходе электрона с одной орбиты на другую происходит выделение или поглощение энергии. Она равна разности энергий предшествующего и последующего состояний атома. При этом, если электрон перепрыгивает на более близкую к ядру орбиту, то происходит излучение и наоборот. Несмотря на то что движение электронов мало напоминает орбитальную траекторию, расположенную строго по окружности, открытие Бора позволило получить великолепное объяснение существованию линейчатого спектра Приблизительно в это же время ученые-физики Герц и Франк, жившие в Германии, подтвердили учение Нильса Бора о существовании стационарных, стабильных состояний атома и возможность изменения значений атомной энергии.

Сотрудничество двух ученых

Кстати, Резерфорд длительное время не мог определить Ученые Марсден и Гейгер попытались осуществить перепроверку утверждений Эрнеста Резерфорда и в результате подробных и тщательных экспериментов и расчетов пришли к выводу о том, что именно ядро является важнейшей характеристикой атома, и в нем сосредоточен весь его заряд. В дальнейшем было доказано, что значение заряда ядра численно равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Интересно, что Нильс Бор вскоре познакомился с Резерфордом и полностью согласился с его взглядами. В последующем ученые длительно работали вместе в одной лаборатории. Модель Резерфорда, атом как система, состоящая из элементарных заряженных частиц, - все это Нильс Бор посчитал справедливым и навсегда отложил в сторону свою электронную модель. Совместная научная деятельность ученых была очень успешной и принесла свои плоды. Каждый из них углубился в изучение свойств элементарных частиц и сделал значимые для науки открытия. Позже Резерфорд обнаружил и доказал возможность разложения ядра, но это уже тема другой статьи.

В начале XXв. опытами по облучению тонкой фольги α-частицами Э. Резерфорд определил структуру атома. Он показал, что атом имеет планетарную модель (рис. 3), то есть состоит из плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого обращается рыхлая электронная оболочка.

Рис. 3. Планетарная модель строения атома Э. Резерфорда

В целом атом является электронейтральной элементарной структурой химического элемента. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе элементов был установлен в планетарной модели атома Резерфорда. Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре, закономерно возрастающих на единицу при переходе от предыдущего элемента к последующему. Химические свойства элементов и ряд их физических свойств объясняются поведением внешних, так называемых валентных электронов их атомов.

Поэтому периодичность свойств химических элементов должна быть связана с определенной периодичностью в расположении электронов в атомах различных элементов. Теория периодической системы основывается на следующих положениях:

а) порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента;

б) состояние электронов в атоме определяется набором их квантовых чисел п, l , m и m s . Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией;

в) заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули.

Электроны в атоме, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа п , образуют электронную оболочку, или электронный слой. В зависимости от значенийn различают следующие оболочки:К прип = 1,L прип = 2,М приn = 3,N прип = 4,О прип = 5 и т. д. Максимальное число электронов, которые могут находиться в оболочках согласно принципу Паули: вК -оболочке – 2 электрона, в оболочкахL ,М ,N иО соответственно 8, 18, 32 и 50 электронов. В каждой из оболочек электроны распределяются по подгруппам или подоболочкам, каждая из которых соответствует определенному значению орбитального квантового числа. В атомной физике принято обозначать электронное состояние в атоме символомп l , указывающим значение двух квантовых чисел. Электроны, находящиеся в состояниях, характеризуемых одинаковыми квантовыми числамиn иl , называются эквивалентными. ЧислоZ -эквивалентных электронов указывается показателем степени в символеnl z . Если электроны находятся в некоторых состояниях с определенными значениями квантовых чиселп иl , то считается заданной так называемая электронная конфигурация. Например, основное состояние атома кислорода можно выразить следующей символической формулой: 1s 2 , 2s 2 , 2p 4 . Она показывает, что два электрона находятся в состояниях сn = 1 иl = 0, два электрона имеют квантовые числаn = 2 иl = 0 и четыре электрона занимают состоянияc n = 2 иl = 1.

Порядок заполнения электронных состояний в оболочках атомов, а в пределах одной оболочки – в подгруппах (подоболочках) должен соответствовать последовательности расположения энергетических уровней с данными п иl . Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, а затем состояния со все более высокой энергией. Для легких атомов этот порядок соответствует тому, что сначала заполняется оболочка с меньшимп и лишь затем должна заполняться электронами следующая оболочка. В пределах однойоболочки сначала заполняются состояния с l = 0, а затем состояния с большими l , вплоть доl =п – 1. Взаимодействие между электронами приводит к тому, что для достаточно больших главных квантовых чиселn состояния с большимn и малымl могут иметь меньшую энергию, то есть быть энергетически более выгодными, чем состояния с меньшимп , но с большимl . Из изложенного следует, что периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних электронных подгруппах у атомов родственных элементов.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света.

Подведем итоги раздела «Оптика».

В рамках геометрической оптики природа света не рассматривается. Используется понятие светового луча, для которого формулируются законы геометрической оптики. Эти законы позволяют рассчитывать траекторию движения световых лучей в случае, когда размеры различных препятствий на пути луча достаточно большие. Использование этих законов позволило создавать различные оптические системы и приборы (линза, микроскоп, телескоп, фотоаппарат, диапроектор).

Рассматривая свет как электромагнитную волну, удалось понять такие явления как интерференция, дифракция, поляризация света. Волновая природа света проявляет себя, когда размеры препятствия на пути световой волны сравнимы с длиной волны. Явления интерференции, дифракции, поляризации света находят разнообразное практическое применение (спектрометрия, дефектоскопия, голография).Волновые свойства света необходимо учитывать при конструировании различных оптических систем.

В квантовой оптике свет проявляет себя как поток частиц или квантов света – фотонов. В рамках квантовых представлений находят объяснения такие явления как тепловое излучение тел, внешний и внутренний фотоэффект, эффект Комптона и др.

Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм . Впоследствии было установлено существование корпускулярно-волнового дуализма частиц вещества.

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: «Просвещение», 2009 и др. Глава 11.

Тема 18. (2 часа)

Атомная физика. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Лазеры.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома возникла атомная физика, позволившая объяснить атомные спектры, физические и химические свойства различных веществ, давшая начало другим разделам физики. Были открыты законы движения микрочастиц – законы квантовой механики.

Одну из первых моделей строения атома предложил в 1903 г. Дж. Дж. Томсон . Он предположил, что атом имеет форму шара; положительный заряд распределен равномерно по всему объему этого шара, а отрицательно заря­женные электроны находятся внутри него. Радиус атома равен примерно 10 -10 м. Однако экспериментальные результаты доказали ошибочность такой модели.

Опыты Резерфорда . Новая модель атома была предложена Резерфордом в результате проделанных опытов по изучению рассеяния быстрых α -частиц на атомах вещества. В этих опытах в свинцовый кон­тейнер 1 помещался радиоактивный препарат 2 (радий, рис.18.1).Узкий пучок 3 α -частиц (полностью ионизированных атомов гелия, испускаемых радием) направлялся на тонкую металлическую фольгу 4. За ней помещался экран 5, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряжен­ных частиц. Вспышки на экране наблюдались Рис.18.1

с помощью микроскопа 6.

Обнаружено, что α -частицы проникают через тонкие металлические пластины почти без отклонения от прямолинейного пути. Вместе с тем небольшая часть альфа-частиц испытывала отклонение на значительно большие (до 180 ○) углы.

Резерфорд предположил, что рассеяние альфа-час­тиц на большие углы объясняется тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10 -10 м, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров.

В этой центральной положительно заряженной части атома – атомном яд­ре, сосредоточена почти вся масса атома. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию альфа-частиц нужно принять радиус ядра равным примерно 10 -15 м. При таком малом радиусе напряженность электрического поля ядра вблизи его поверхности очень велика. В этом поле на движущуюся α -частицу действует большая сила, которая и отклоняет частицу на большие углы, в том числе и в обратном направлении.

После обнаружения в опытах Резерфорда положительно за­ряженного ядра необходимо было ответить на вопросы о том, где же в атоме находятся электроны и чем занято в нем остальное пространство. Резерфорд предположил, что атом устроен по­добно планетной системе. Как вокруг Солнца на больших рас­стояниях от него обращаются планеты, так вокруг ядерного ядра в атоме обращаются электроны. Радиус орбиты самого удаленного от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель строения атома была названа планетарной или ядерной моделью.

Однако атомные системы отличаются от планетарных систем физической природой сил, удерживающих планеты и элек­троны на их орбитах: планеты притягиваются к звездам силами всемирного тяготения, а во взаимодействии электронов с атомным ядром основную роль играют силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов. Силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром ничтожно малы по сравнению с электромагнитными.

Ядерная модель атома хорошо объясняет основные законо­мерности рассеяния заряженных частиц. Так как большая часть пространства между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, то быстрые заряженные частицы могут почти свободно проникать через слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

При столкновении с электроном альфа-частица практи­чески не рассеивается, так как ее масса примерно в 8000 раз больше массы электрона. Однако в том случае, когда альфа-частица пролетает вблизи одного из атомных ядер, под действием электрического поля атомного ядра может произойти ее рассеяние на любой угол до 180°. Но из-за малых размеров ядра по сравнению с размерами атома такие события происходят весьма редко.

Ядерная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц в веществе, но встретилась с другой принципиальной трудностью: законы движения электронов в атоме Резерфорда противоречили законам электродинамики.

Как известно, любое ускоренное движение электрических зарядов сопровождается излучением электро­магнитных волн. Движение по ок­ружности является ускоренным дви­жением, поэтому электрон в атоме, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному его приближению к атомному ядру и падению на ядро.

Таким образом, атом, состоящий из атомного ядра и обращающихся вокруг него электронов, согласно законам классической физики, неустойчив. Но в действи­тельности атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии не излучают свет.

Планетарную модель атома предложил Э. Резерфорд в 1910 году. Первые исследования структуры атома были сделаны им при помощи альфа-частиц. На основе результатов, полученных в экспериментах по их рассеянию, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в его центре. С другой стороны, отрицательно заряженные электроны распределены внутри всего остального его объема.

Немного предыстории

Первую гениальную догадку о существовании атомов сделал древнегреческий ученый Демокрит. С тех пор идея о существовании атомов, комбинации которых дают все окружающие нас вещества, не покидала воображения людей науки. Периодически к ней обращались различные ее представители, но до начала XIX века их построения были всего лишь гипотезами, не подкрепленными опытными данными.

Наконец, в 1804 году, более чем за сто лет до того как появилась планетарная модель атома, английский ученый Джон Дальтон представил доказательства его существования и ввел понятие атомного веса, явившееся его первой количественной характеристикой. Как и его предшественники, он представлял атомы мельчайшими частями материи, похожими на твердые шарики, которые не могут быть разделены на еще более мелкие частицы.

Открытие электрона и первая модель атома

Прошло почти целое столетие, когда, наконец, в конце XIX века также англичанин Дж. Дж. Томсон открыл первую субатомную частицу, отрицательно заряженный электрон. Поскольку атомы электрически нейтральны, Томсон думал, что они должны состоять из положительно заряженного ядра с электронами, разбросанными по его объему. Основываясь на различных результатах, полученных экспериментально, он в 1898 году предложил свою модель атома, иногда называемую «сливы в пудинге», потому что атом в ней представлялся в виде сферы, заполненной некоторой положительно заряженной жидкостью, в которую электроны были внедрены, как «сливы в пудинг». Радиус такой сферической модели был около 10 -8 см. Общий положительный заряд жидкости симметрично и равномерно сбалансирован отрицательными зарядами электронов, как показано на рисунке ниже.

Эта модель удовлетворительно объясняла то обстоятельство, что при нагревании вещества оно начинает излучать свет. Хотя это была первая попытка понимания того, что же такое атом, она не смогла удовлетворить результатам экспериментов, выполненных позже Резерфордом и другими. Томсон в 1911 году согласился, что его модель просто не может ответить, как и почему происходит наблюдаемое в опытах рассеяние α-лучей. Поэтому она была оставлена, а на смену ей пришла более совершенная планетарная модель атома.

Как же все таки устроен атом?

Эрнест Резерфорд дал объяснение явления радиоактивности, которое принесло ему Нобелевскую премию, однако его наиболее значительный вклад в науку был сделан позднее, когда он установил, что атом состоит из плотного ядра, окруженного орбитами электронов, подобно тому, как Солнце окружено орбитами планет.

Согласно планетарной модели атома, большая часть его массы сконцентрирована в крошечном (по сравнению с размерами всего атома) ядре. Электроны двигаются вокруг ядра, путешествуя с невероятной скоростью, но большая часть объема атомов является при этом пустым пространством.

Размер ядра настолько мал, что его диаметр в 100 000 раз меньше, чем у атома. Диаметр ядра была оценен Резерфордом как 10 -13 см, в отличие от размера атома - 10-8 см. За пределами ядра электроны вращаются вокруг него с высокими скоростями, в результате чего возникают центробежные силы, уравновешивающие электростатические силы притяжения между протонами и электронами.

Опыты Резерфорда

Планетарная модель атома возникла в 1911, после знаменитого эксперимента с золотой фольгой, позволившего получить некоторые фундаментальные сведения о его строении. Путь Резерфорда к открытию атомного ядра является хорошим примером роли творчества в науке. Его поиски начались еще в 1899 году, когда он обнаружил, что некоторые элементы испускают положительно заряженные частицы, которые могут проникать через что угодно. Он назвал эти частицы альфа (α) частицами (теперь мы знаем, что они были ядрами гелия). Как и все хорошие ученые, Резерфорд был любопытен. Он задавался вопросом, можно ли использовать альфа-частицы, чтобы узнать структуру атома. Резерфорд решил нацелить луч альфа-частиц на лист очень тонкой золотой фольги. Он выбрал золото, потому что из него можно получать листы толщиной всего 0,00004 см. За листом золотой фольги он поставил экран, который светился, когда альфа-частицы ударяли в него. Его использовали для обнаружения альфа-частиц после их прохождения через фольгу. Небольшая прорезь в экране позволяла лучу альфа-частиц достичь фольги после выхода из источника. Часть из них должна пройти сквозь фольгу и продолжать двигаться в том же направлении, другая их часть должна отскакивать от фольги и отражаться под острыми углами. Вы можете увидеть схему эксперимента на рисунке ниже.

Что же получилось в опыте Резерфорда?

Исходя из модели атома Дж. Дж. Томсона, Резерфорд предполагал, что сплошные области положительного заряда, заполняющие весь объем золотых атомов, будут отклонять или сгибать траектории всех альфа-частиц, когда они проходят через фольгу.

Однако подавляющее большинство альфа-частиц прошло прямо через золотую фольгу, как будто ее и не было. Казалось, они проходят через пустое пространство. Лишь немногие из них отклоняются от прямого пути, как и предполагалось вначале. Ниже приведен график зависимости количества частиц, рассеянных в соответствующем направлении, от угла рассеяния.

Удивительно, но крошечный процент частиц возвращался от фольги, как баскетбольный мяч отскакивает от щита. Резерфорд понял, что эти отклонения были результатом прямого столкновения между альфа-частицами и положительно заряженными компонентами атома.

Ядро занимает центральное место

Исходя из ничтожного процента отразившихся от фольги альфа-частиц, можно сделать вывод, что весь положительный заряд и практически вся масса атома сосредоточены в одной маленькой области, а в остальной части атома в основном находится пустое пространство. Резерфорд назвал площадь концентрированного положительного заряда ядром. Он предсказал и вскоре обнаружил, что оно содержит положительно заряженные частицы, которые он назвал протонами. Резерфорд предсказал существование нейтральных атомных частиц, называемых нейтронами, но он не смог обнаружить их. Тем не менее его ученик Джеймс Чедвик открыл их через несколько лет. На рисунке ниже показана структура ядра атома урана.

Атомы состоят из положительно заряженных тяжелых ядер, окруженных вращающимися вокруг них отрицательно заряженными чрезвычайно легкими частицами-электронами, причем на таких скоростях, что механические центробежные силы просто балансируют их электростатическое притяжение к ядру, и в этой связи якобы обеспечивается стабильность атома.

Недостатки этой модели

Основная идея Резерфорда относилась к идее малоразмерного атомного ядра. Предположение об орбитах электронов было чистой гипотезой. Он не знал точно, где и как электроны вращаются вокруг ядра. Поэтому планетарная модель Резерфорда не объясняет распределение электронов на орбитах.

Кроме того, стабильность атома Резерфорда была возможна только при непрерывном движении электронов по орбитам без потерь кинетической энергии. Но электродинамические расчеты показали, что движение электронов по любым криволинейным траекториям, сопровождающееся изменением направления вектора скорости и появлением соответствующего ускорения, неизбежно сопровождается излучением электромагнитной энергии. При этом, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия электрона должна очень быстро израсходоваться на излучение, и он должен упасть на ядро, как схематически показано на рисунке ниже.

Но этого не происходит, так как атомы являются стабильными образованиями. Возникло типовое для науки противоречие между моделью явления и опытными данными.

От Резерфорда к Нильсу Бору

Следующий крупный шаг вперед в атомной истории произошел в 1913 году, когда датский ученый Нильс Бор опубликовал описание более детальной модели атома. Она определяла более четко места, где могут находиться электроны. Хотя позже ученые будут развивать и более изысканные атомные конструкции, но планетарная модель атома Бора была в основном правильной, и многое из нее принимается до сих пор. Она имела множество полезных приложений, например с ее помощью объясняют свойства различных химических элементов, характер спектра их излучений и строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились важнейшими вехами, обозначившими появление нового направления в физике - физики микромира. Бор получил Нобелевскую премию 1922 по физике за его вклад в наше понимание структуры атома.

Что же нового привнес Бор в модель атома?

Будучи еще молодым человеком, Бор работал в лаборатории Резерфорда в Англии. Поскольку в модели Резерфорда была слабо проработана концепция электронов, Бор сосредоточился именно на них. В результате была существенно доработана планетарная модель атома. Постулаты Бора, которые он сформулировал в своей статье «О строении атомов и молекул», вышедшей в 1913 году, гласят:

1. Электроны могут двигаться вокруг ядра только на фиксированных расстояниях от него, определяемых тем количеством энергии, которое у них есть. Он назвал эти фиксированные уровни энергетическими уровнями или электронными оболочками. Бор представлял их в виде концентрических сфер, с ядром в центре каждой из них. При этом электроны с меньшей энергией будут найдены на более низких уровнях, ближе к ядру. Те же из них, у кого больше энергии, будут найдены на более высоких уровнях, дальше от ядра.

2. Если электрон поглощает некоторое (вполне определенное для данного уровня) количество энергии, то он будет прыгать на следующий, более высокий энергетический уровень. И наоборот, если он потеряет такое ​​же количество энергии, то вернется назад к исходному уровню. Однако электрон не может существовать на двух энергетических уровнях.

Эта идея иллюстрируются рисунком.

Энергетические порции для электронов

Модель атома Бора на самом деле является сочетанием двух различных идей: атомной модели Резерфорда с электронами, вращающимися вокруг ядра (по сути это планетарная модель атома Бора-Резерфорда), и идеи немецкого ученого Макса Планка о квантовании энергии вещества, опубликованной в 1901 году. A квант (во множественном числе - кванты) является минимальным количеством энергии, которая может быть поглощена или излучена веществом. Он является своего рода шагом дискретизации количества энергии.

Если энергию сравнить с водой и вы хотите добавить ее к материи в виде стакана, вы не можете просто залить воду непрерывной струей. Вместо этого вы можете добавить ее в небольших количествах, например, по чайной ложке. Бор считал, что если электроны могут поглощать или терять только фиксированные количества энергии, то они должны варьировать свою энергию только этими фиксированными количествами. Таким образом, они могут занимать только фиксированные энергетические уровни вокруг ядра, которые соответствуют квантованным приращениям их энергии.

Так из модели Бора вырастает квантовый подход к объяснению, что же из себя представляет строение атома. Планетарная модель и модель Бора явились своеобразными ступенями от классической физики к квантовой, являющейся основным инструментом в физике микромира, включая и атомную физику.

Первая попытка создания модели атома была предпринята Дж. Томпсоном. Он полагал, что атом – это электронейтральная система формы шара с радиусом 10 - 10 м. На рисунке 6 . 1 . 1 . показано, как одинаково распределяется положительный заряд атома, причем отрицательные электроны располагаются внутри него. Чтобы получить объяснение линейчатых спектров атомов, Томпсон тщетно пытался определить расположение электронов в атоме, для расчета частоты их колебаний в положении равновесия. Спустя время Э. Резерфорд доказал, что заданная Томсоном модель была неверна.

Рисунок 6 . 1 . 1 . Модель Дж. Томпсона .

Внутренняя структура атомов была исследована Э. Резарфордом, Э. Марсденом, Х. Гейгером еще в 1909 - 1911 годах. Было применено зондирование атома α -частицами, возникающими во время радиоактивного распада радия и других элементов. Их масса в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равняется удвоенному элементарному заряду.

В опытах Резерфорда были использованы α -частицы, имеющие кинетическую энергию 5 М э в.

Определение 1

Альфа-частицы – это ионизированные атомы гелия.

Когда было изучено явление радиоактивности, этими частицами Резерфорд уже «бомбардировал» атомы тяжелых металлов. Входящие в них электроны не могут заменить траектории α -частиц, так как имеют малый вес. Рассеяние может быть вызвано тяжелой положительно заряженной частью атома. На рисунке 6 . 1 . 2 подробно описан опыт Резерфорда.

Рисунок 6 . 1 . 2 . Схема опыта Резерфорда по рассеянию α -частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Радиоактивный источник, заключенный в свинцовый контейнер, располагается таким образом, что
α -частицы направляются от него к тонкой металлической фольге. Рассеянные частицы попадают на экран со слоем кристаллов сульфида цинка, светящиеся от их ударов. Сцинтилляции (вспышки) можно наблюдать при помощи микроскопа. Угол φ к первоначальному направлению пучка не имеет ограничений для данного опыта.

После испытаний было выявлено, что α -частицы, проходящие через тонкий слой металла, не испытывали отклонений. Наблюдались их отклонения и на углы, превышающие 30 градусов и близкие к 180 .

Результат Резерфорда противоречил модели Томпсона, так как положительный заряд не был распределен по всему объему атома. Согласно модели Томпсона, заряд не имеет возможности создавать сильное электрическое поле, которое впоследствии отбросит α -частицы. Такое поле однородно заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля к центру.

Определение 2

При уменьшении радиуса шара с положительным зарядом атома максимальная сила отталкивания, действующая на α -частицы, по закону Кулона увеличилась бы в n 2 раз.

Если размеры α - частиц достаточно большие, тогда рассеивание может достичь угла в 180 градусов.

Определение 3

Резерфорд пришел к выводу, что пустота атома связана с наличием положительного заряда, сосредоточенного в малом объеме. Данная часть была названа атомным ядром .

Рисунок 6 . 1 . 3 . Рассеяние α -частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b) .

Резерфорд выяснил, что центр атома имеет положительно заряженное ядро с диаметром 10 - 14 - 10 - 15 м. Оно занимает 10 - 12 полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и около 99 , 95 % его массы. Вещество, входящее в состав атома, предполагало наличие плотности p ≈ 10 15 г / с м 3 , а заряд ядра равнялся суммарному заряду электронов. Было установлено, что при взятии за 1 значение заряда электрона, заряд ядра равнялся числу из таблицы Менделеева.

Опыты Резерфорда приводили к радикальным выводам и сомнениям ученых. Используя классическое представление о движении микрочастиц, он предлагает планетарную модель атома. Ее смысл заключался в том, что центр атома состоит из положительно заряженного ядра, которое является основной частью массы элементарной частицы. Атом считается нейтральным. При наличии кулоновских сил вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны, как показано на рисунке 6 . 1 . 4 . Электроны всегда находятся в состоянии движения.

Рисунок 6 . 1 . 4 . Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

Предложенная Резерфордом планетарная модель была толчком в развитии знаний о строении атома. Благодаря ей, опыты по рассеиванию α -частиц смогли объяснить. Но вопрос об его устойчивости остался открытым. Исходя из закона классической электродинамики, заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны, забирающие и распределяющие энергию. За время 10 - 8 с все электроны потратить всю энергию, вследствие чего упасть на ядро. Так как это не происходит, есть объяснение – внутренние процессы не выполняются согласно классическим законам.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter