КОНЦЕПЦІЯ АТОМА ЯК АНАЛОГА ПЛАНЕТАРНОЇ СИСТЕМИ

Проблема внутрішньої структури атома

Ця проблема виникла після відкриття іонів в хімії і електрона в фізиці. Іонами, за визначенням, називають атоми, що несуть позитивний або негативний електричні заряди. Величину заряду кількісно можна визначити за допомогою приладу Гофмана.

Він складається (рис. 12) з двох скляних сполучених посудин, заповнених в початковому положенні слабким електролітом (підкисленою водою). У судини введені електроди, які можна підключити до електричної батареї. При замиканні ланцюга в судинах починається електрохімічна реакція, в результаті якої в посудині з позитивним потенціалом електрода виділяється кисень, а в посудині з негативним електродом накопичується водень. За обсягом газів можна розрахувати кількість нейтралізованих іонів (вони нейтралізуються па електродах, перетворюючись в атоми і утворюючи бульбашки газу). У свою чергу, вимірювання кількості заряду, що протік по ланцюгу, дасть суму зарядів нейтралізованих іонів. З зіставлення даних знаходять величину електричного заряду одного іона водню: 1,6-10 ~ | 9 Кл.

Схема приладу Гофмана

Мал. 12. Схема приладу Гофмана

Очевидно, що з нейтрального, в цілому, атома водню йде до атому кисню якась його частина, що має електричний заряд. Атом водню стає позитивно зарядженим іоном, значить пішла частина атома має заряд негативний (в атомі водню рівні, позитивний і негативний, заряди будуть взаємно компенсуватися до нуля). Заряди всіх інших іонів завжди кратні по абсолютній величині заряду іона водню, і меншої кількості заряду не спостерігається. Це означає, що якісь «елементалі» електричного заряду входять до складу всіх атомів.

Тінь від К-променів в трубці Крукса

Мал. 13. Тінь від К-променів в трубці Крукса

Так виникає проблема складу і структури атомів, які вважалися раніше неподільними і не мають тому ніяких складових елементів. Виявляється, в атомах є протилежно заряджені частини. Що вони собою являють? Яка маса частинки, що несе негативний заряд? Методи хімії не могли дати відповіді на ці питання.

Відкриття частки-переіосчіка електричного заряду сталося емпіричним шляхом у фізиці при дослідженні струму в розріджених газах. При певних умовах (достатнє розрядження і висока різниця потенціалів, прикладена до електродів) в трубці Крукса спостерігалося світіння скла (рис. 13).

Здавалося, що якісь промені виходять з катода і висвітлюють скло навпроти катода. Якщо на шляху променів містилося перешкода, то воно відкидало тінь на поверхню скла. Якогось теоретичного передбачення ефекту в даному випадку не було, доводилося продовжувати експерименти, щоб зрозуміти природу (механізм) явища.

Для цього різні варіанти трубки Крукса поміщали в магнітне поле, а для візуалізації променів застосовували екран з люмінофором (речовиною, що світиться яскравіше, ніж скло, при попаданні на нього променів). На рис. 14 приведена фотографія слідів К-променів (променів Крукса), отримана в однорідному магнітному полі, вектор індукції якого спрямований перпендикулярно до площини фотографії.

ня. 14. Слід К-променів в магнітному полі

Як видно з наведеної ілюстрації, магнітне поле надає фізичний вплив на промені, примушуючи їх рухатися по криволінійній шляху. Цей експеримент однозначно свідчить, що К-промені є потоком заряджених частинок. Як відомо зі шкільного курсу фізики, шлях руху (траєкторію) заряджених частинок в магнітному полі визначає сила Лоренца. Напрямок дії цієї сили на позитивно заряджену (пробну) частку визначається по мнемонічному правилом лівої руки. Застосовуючи це правило, між іншим долоню лівої руки на сторінку підручника з фотографією, повернувши її до себе, щоб лінії індукції входили в долоню. Чотири пальці долоні повинні бути спрямовані у напрямку входу частинок в магнітне поле, т. Е. Вгору. Великий палець покаже напрям дії магнітного поля на рухомий позитивний заряд.

Що випливає з того факту, що Ваш великий палець спрямований в одну сторону, а слід К-частинок на фотографії в протилежну? Це означає, що частинки К-лучсй мають знак електричного заряду, протилежний позитивному, т. Е. Негативний. Тому і напрямок сили Лоренца для них інше, протилежне.

Подальші досліди показали, що К-промені виникають незалежно від хімічного складу газу в трубці Крукса. Це дуже важливе спостереження. Воно говорить про те, що якісь негативно заряджені частинки входять до складу всіх хімічних елементів (всіх сортів атомів). Природно напрошувався висновок, що саме ці частинки беруть участь в утворенні іонів з нейтральних атомів.

Проблема полягала в тому, що була невідома маса цих часток, а без знання ес чисельного значення важко визнати нову частинку матеріальної, речової. Заслуга визначення маси частинок К-променів належить Дж. Дж. Томсону (рис. 15).

Дж. Дж. Томсон в лабораторії

Мал. 15. Дж. Дж. Томсон в лабораторії

Ідея експерименту Томсона полягала в тому, щоб компенсувати дію магнітного поля на заряджену частинку дією на неї електричного поля. У разі рівного розподілу і протилежному напрямку двох сил траєкторія К-променів випрямлялася, що фіксувалося очевидним наглядом. Вирішуючи спільно рівняння для магнітної і електричної сил, Дж. Дж. Томсон визначив швидкість руху К-частинок.

Дізнавшись швидкість частинок і вимірявши радіус траєкторії їх руху (див. Рис. 14), він знайшов відношення величин електричного заряду до маси частки (згодом цю величину назвали питомою зарядом електрона).

Оскільки величина заряду К-частинки по абсолютній величині була відома (див. Вище визначення заряду іона водню), виявилося можливим дати кількісну оцінку величини маси нової елементарної частинки, названої електроном. За відкриття електрона (точніше, за встановлення в 1897 р його кількісних характеристик) Дж. Дж. Томсону пізніше була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Два питання, по меншій мерс, виникли після факту відкриття електрона:

  • 1) Де знаходиться електрон в складі нейтрального атома, зовні або всередині позитивно зарядженої області?
  • 2) Що собою являє область позитивного заряду?

На початку XX століття були висловлені, майже одночасно, кілька гіпотез про внутрішню структуру атома. При цьому всі автори виходили з принципу єдності світу і подоби його частин. Цей принцип має давнє походження. Вважається, що його висловив давньоєгипетський містик Гермес Трисмегіст фразою: Те, що знаходиться нагорі, подібно до того, що знаходиться внизу.

Тому очікувалося, що об'єкти мікросвіту можуть бути влаштовані на зразок об'єктів мегамира або макросвіту. (Відзначимо тут, в дужках, вплив метафізичної картини світу на формування фізичної картини світу, відбите пунктирною стрілкою па схемі рис. 6).

Моделі атома водню, запропоновані різними авторами в самому початку XX в., Представлені на рис. 16.

Modem будови атома (Ж. Перен, X. Нагаока і Дж. Дж. Томсон)

Мал. 16. Modem будови атома (Ж. Перен, X. Нагаока і Дж. Дж. Томсон)

Найбільше визнання отримала модель Дж. Дж. Томсона, в якій електрон здійснював коливання навколо центру позитивно зарядженої області (в інших моделях електрони оберталися навколо позитивно зарядженої області, не входячи в неї). Яка із запропонованих гіпотетичних моделей вірна? Відповідь мав дати експеримент - таке загальне правило в науці. Але який експеримент? Чим подіяти на атом?

Хімічні методи впливів приводили до іонізації молекул і атомів, але не розкривали їх внутрішній устрій. Довелося використовувати методи фізики, в арсеналі якої на той час з'явилися різні випромінювання з високою проникаючою здатністю.

Понад сто десять років тому (1896 г.) А. Беккерель відкрив явище радіоактивності. Роком раніше В. Рентген виявив таємничі X-промені, які просвічували, наприклад, руку людини і залишали на фотопластинці силуети фаланг пальців (див. Рис. 17). Для сучасників Рентгена це було вражаюче! Пізніше з'ясувалося, що Х-промені, або рентгенівське випромінювання, представляють собою електромагнітне випромінювання з енергією квантів, в десятки тисяч разів перевершують енергію квантів фіолетового світлового випромінювання.

Енергія квантів радіоактивного гамма-випромінювання, завжди супроводжує альфа- або бета-розпад, не менше ніж у мільйон разів вище енергії світлового випромінювання. Всі електромагнітні випромінювання нейтральні і не можуть відхилятися в поле негативних або позитивних зарядів. Для цілей зондування розподілу зарядів в атомах більш придатними були бета-частинки (електрони) і альфа- частинки (ядра атомів гелію).

У 1909 р Г. Гейгер і Е. Мардсена, за завданням Е. Резерфорда, почали дослідження розсіювання альфа-частинок тонкими (настільки, що вони ставали напівпрозорими для світла) плівками золота. Его називалося «бомбардувати атом альфа-частками» [9]. Тонкість золотої фольги

Історичні знімки, пов'язані з відкриттями В. Рентгена і А. Беккереля

Мал. 1 7. Історичні знімки, пов'язані з відкриттями В. Рентгена і А. Беккереля

забезпечувала практично одноразове взаємодія альфа-частинки з одним з атомів золота. Інші співробітники в лабораторії Резерфорда «бомбардували» атом бета-променями.

Теоретично модель Дж. Томсона передбачала, що альфа- частинки після прольоту через однорідно заряджену область обсягу атома будуть відхилятися від прямолінійної траєкторії на невеликі кути вперед по їх руху. Але абсолютно несподівано було виявлено, що мала кількість альфа-частинок (приблизно одна частинка на 8000 падаючих) відхиляється назад, під кутами майже до 180 °. За спогадами Е. Резерфорда, було відчуття, що гарматний снаряд відбився від аркуша паперу! Однак через деякий час Резерфорд здогадався, який внутрішню структуру атома відповідають результати вимірювань Г. Гейгера і Е. Мардсена.

Він порівняв сили відштовхування, які виникають при прольоті альфа-частинки крізь атом за різними моделями. Щоб зупинити альфа-частинки, потенційна енергія електростатичного відштовхування однойменно заряджених частинок (позитивно зарядженої альфа- частинки і позитивно зарядженої області в складі атома) повинна бути більше кінетичної енергії бомбардують частинок на відстані г < r min . Для випадку центрального зіткнення мінімальна відстань, на яке зможе проникнути альфа-частинки цієї енергії, може бути знайдено з співвідношення:

Тут в лівій частині рівності записано вираз для потенційної енергії, а в правій - для кінетичної. Як випливає з формули (1), величезне значення потенційної енергії взаємодіючих зарядів, достатню для відображення альфа-частинок, можливо тільки при малому чисельному значенні відстані між зарядами, близько 10 15 м. Це значення на п'ять порядків величини менше розмірів атома. Отже, модель Дж. Дж. Томсона (учнем якого був Е. Резерфорд) не відповідає дійсності. Експериментальні результати свідчать на користь вибору нуклеарно- планстарной моделі атома.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >