Электрические явления — электризация тел при трении, возникновение электрического тока в металлах и полупроводниках, газах и электролитах -убедительно свидетельствуют о том, что электрически заряженные частицы входят в состав атомов, а следовательно, и в состав всех веществ.
Важную роль в понимании природы атома сыграл периодический закон, открытый в 1868 г. Дмитрием Менделеевым, свидетельствующий о сложности строения атомов элементов. В курсе химии вы изучали этот закон: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер — и широко использовали данный закон для объяснения свойств химических элементов и химических
явлений.
Джозеф Томсон открыл электрон еще в 1897 г. Исходя из представлений об электронейтральности атома, ученый создал модель: атом состоит из положительно заряженного шара, заряд которого равномерно распределен по всему объему, и отрицательно заряженных электронов, размещенных в этом объеме. Модель была похожа на кекс с изюмом (рис. 244).
Исходя из модели атома Томсона, можно было объяснить явления ионизации атомов, электролиза, периодическую систему элементов, но она не давала возможности объяснить электромагнитные и оптические явления, результаты опыта Резерфорда и явление радиоактивности, которые будут описаны ниже.
Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 г. предложил модель «пустого» атома, внутри которого летают никем не установленные (ни ранее, ни теперь) нейтральные частицы, состоящие из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Ученый назвал эти несуществующие частицы динамидами.
Проблемой строения атома занимались выдающиеся мировые ученые Эрнест Резерфорд, Ханс Гейгер, Александр Лебедев, Нильс Бор и др. Наиболее важную роль для понимания строения атома сыграли опыты Резерфорда. Он знал, что электрон в 2000 раз легче атома Гидрогена. Атом электронейтрален. Следовательно, именно на положительный заряд приходится вся его масса.
Если выяснить, как распределен положительный заряд, то станет ясно, как распределена масса атома. Ученый приходит к мысли о бомбардировке атома а-частицами, имеющими массу приблизительно в 7300 раз больше массы электрона. Их положительный заряд в два раза больше по модулю заряда электрона (это дважды ионизированные атомы Гелия), а скорость их движения равна приблизительно 15 000 км/с.
Рассмотрим экспериментальную установку Резерфорда (рис. 245, а). На столе 5, вращающемся вокруг вертикальной оси, в вакууме размещался свинцовый контейнер 1 с источником а-частиц; в центре стола -
золотая фольга 2; на краю стола - неподвижные экран 3 из цинк сульфида (ZnS) и микроскоп 4.
а-частица - это своего рода «снаряд» атомного мира, который можно направить на слой вещества, чтобы исследовать, как оно будет влиять на траекторию частицы.
Сплошные атомы Томсона должны были бы тормозить частицы и не пропускать их дальше. Чтобы частица встретила как можно меньше атомов, на ее пути следует установить как можно более тонкую пластинку. Самую тонкую фольгу можно получить из золота. Те частицы, которые пройдут сквозь фольгу, вызовут сцинтциляции (световые вспышки) на экране, которые будут зафиксированы глазом с помощью микроскопа.
Если в установке достигнут высокий вакуум и нет фольги, то на экране появляется светлое пятно, образованное свечениями, вызванными тонким пучком а-частиц. Если на пути а-частиц установить золотую фольгу, то они будут рассеиваться, а пятно - размываться на большую площадь. Почти все частицы свободно проходят сквозь фольгу и практически не отклоняются от прежней траектории, лишь 2-3 % из них рассеиваются, отклоняясь на несколько градусов от начального направления.
Во время продолжительных наблюдений ученик Резерфорда изредка замечает вспышки, соответствующие значительным отклонениям а-частиц от начального направления движения после прохождения сквозь фольгу.
В поисках ответа на вопрос, почему резко отклоняются одиночные а-частицы, Резерфорд предлагает исследовать, бывают ли частицы, которые, отражаясь от фольги, рассеиваются на углы, больше 90°, а то и на все 180°? И такие одиночные частицы — одна из тысячи — бывают (рис. 245, б). Этот факт казался непонятным.
Выясним, по каким причинам а-частица может изменить направление полета: а-частица имеет массу и заряд, поэтому на нее могут действовать как сила тяготения, так и кулоновская сила. Известно, что электрические силы взаимодействия заряженных частиц значительно превосходят силы тяготения между ними. Например, электрическая сила взаимодействия а-частицы с протоном или электроном в 1033 раз превышает силу тяготения между а-частицей и массивным атомом Плюмбума. Это означает, что во взаимодействии а-частиц с атомами фольги роль сил тяготения незначительна, и ими можно пренебречь. Следовательно, отклонение а-частицы от начального направления полета обусловлено действием электрически заряженных частиц, содержащихся внутри атомов.
Какие же это частицы? Как они размещены в атомах? Ответы на эти вопросы и должны были дать опыты Резерфорда. Очевидно, что заряженная частица, отклоняющая а-частицу на большой угол, не может быть электроном. Ведь масса электрона приблизительно в 7300 раз меньше массы а-частицы. Поскольку столкновения с электронами не изменяют направления движения а-частиц, то их отклонения на большие углы обусловлены взаимодействием не с электронами, а с положительно заряженными частицами. Но в «сплошном» атоме в модели Томсона электрическое поле положительного заряда недостаточно сильное, чтобы отклонить быструю и массивную а-частицу на большой угол.
Результаты опытов Резерфорда свидетельствуют, что хотя атомы в твердом теле очень плотно прилегают друг к другу, подавляющее большинство а-частиц пронизывают, почти не отклоняясь, несколько тысяч атомов. Отсюда ученый сделал вывод, что атомы почти пустые, и только в центре их есть положительно заряженное ядро размером порядка 10-15 м. Из опытов также следует, что в ядре сосредоточена почти вся масса атома. Значит, масса положительно заряженного ядра, с которым сталкивается а-частица, отклоняющаяся на угол, близкий к 180°, значительно превышает массу самой а-частицы (рис. 245, б).
Опыты Резерфорда вместе с установлением ядерной структуры атома свидетельствуют еще и о высокой «прочности» атомных ядер, не разрушающихся даже при лобовых столкновениях с а-частицами.
В мае в 1911 г. Резерфорд печатает статью в «Философском журнале», в которой высказывает мысль о планетарной модели атома.
Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного массивного ядра, размером порядка КГ15 м. Вокруг ядра движутся электроны, образуя так называемую электронную оболочку атома (рис. 246). Заряд ядра по значению равен модулю суммарного заряда всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (99,95 %).
Планетарная модель атома хорошо объясняла результаты опытов по рассеиванию а-частиц веществом. Исходя из этой модели английский физик Генри Мозли на основе результатов своих опытов установил, что заряд атомного ядра дя равен произведению порядкового номера Z элемента в таблице Менделеева и элементарного электрического заряда е:
Порядковый номер химического элемента Z (зарядовое число) определяет количество протонов в ядре и тем самым - количество электронов вокруг ядра.
ЭТО ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ
Ханс Гейгер, коллега и ученик знаменитого физика Эрнеста Резерфорда, упоминая как-то о важном событии в истории физики, происшедшем в первых числах 1911 г., написал в письме к другому ученику своего учителя - Джеймсу Чедвику: «Однажды Резерфорд вошел в мою комнату, очевидно, в прекрасном настроении и сказал, что теперь он знает, как выглядит атом...». Резерфорд утвердился в планетарной модели атома на основе результатов своих опытов, но ему было известно, что сам Эйнштейн дважды приходил к мысли о планетарном строении атома и не осмеливался это опубликовать. Еще за 10 лет до этого японский физик Хантаро Нагаока без опытов предлагал подобную модель атома.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Расскажите, какие известные вам физические явления свидетельствуют о сложном строении атома.
2. Опишите содержание опытов Резерфорда по рассеиванию а-частиц. Какой вывод можно сделать?
3. Почему именно а-частицы являются инструментом в исследовании атома?
4. Какими явлениями сопровождаются столкновения а-частиц с экраном из сульфида цинка?
5. Какие ограничения имела модель атома Томсона в объяснении физических явлений?
6. Опишите модель строения атома, предложенную Резерфордом.
7. Какие научные факты хорошо объясняются на основе планетарной модели атома?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк