Лекція Лазер. Атомне ядро
Вчені не відразу прийшли до правильних уявлень про будову атома. Перша модель атома була запропонована англійським фізиком Дж. Томсоном, який відкрив електрон. На думку Томсона, позитивний заряд атома повинен займати весь об’єм атома і розподілятися у цьому об’ємі з постійною густиною. Найпростіший атом – атом водню – являє собою позитивно заряджену кулю радіусом ~10–10 м, усередині якої знаходиться електрон. У більш складних атомах у позитивно зарядженій кулі знаходиться кілька електронів, так що атом подібний до кексу, у якому роль ізюминок грають електрони.
Однак модель атома Томсона повністю суперечила дослідам по визначенню розподілу позитивного заряду в атомі. Ці досліди, які вперше здійснив Е. Резерфорд, зіграли вирішальну роль у розумінні будови атома.
Як визначив Томсон, маса електронів у тисячі разів менша за масу атомів, і, оскільки атом у цілому нейтральний, основна маса атома приходиться на його позитивно заряджену частину. Для експериментального дослідження розподілу позитивного заряду, а, отже, і маси усередині атома, Резерфорд запропонував у 1906 р. застосувати зондування атома за допомогою a-частинок, які виникають, наприклад, при розпаді радію. Їх маса приблизно у 8000 разів більша за масу електрона, а позитивний заряд рівний по модулю подвоєному заряду електрона. Як з’ясувалося, a-частинки є не чим іншим, як повністю іонізованими атомами гелію. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів. Електрони внаслідок своєї малої маси не могли помітно змінити траєкторію a-частинок. Розсіювання a-частинок могла викликати тільки позитивно заряджена частина атома. Це дозволило визначити характер розподілу позитивного заряду й маси усередині атома (Рис. 6.1.2).
Зовсім випадково виявилося, що невелика кількість a-частинок відхилялася на кути, більші 90°. Передбачити цей результат на основі моделі Томсона було неможливо. Якби весь позитивний заряд був рівномірно розподілений по всьому об’єму, напруженості електричного поля не вистачило б, щоб відкинути a-частинку назад, оскільки електрична напруженість обернено пропорційна радіусу кулі. Тому Резерфорд припустив, що позитивний заряд в атомі зосереджений у невеликому, в порівнянні з усім атомом, об’ємі, й, таким чином, прийшов до ідеї атомного ядра – тіла малих розмірів, у якому сконцентровані майже вся маса і весь позитивний заряд атома.
Резерфорд зміг оцінити розміри ядра, які виявилися близько 10–14 – 10–15 м, тобто в десятки і сотні тисяч разів меншими, ніж розміри самого атома, і визначити заряд ядра. За умови, що заряд електрона прийнятий за одиницю, заряд ядра в точності дорівнює номеру даного хімічного елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва.
З дослідів Резерфорда безпосередньо випливає планетарна модель атома. У центрі розташоване позитивно заряджене атомне ядро, у якому зосереджена майже вся маса атома.
Оскільки атом нейтральний, кількість внутрішньоатомних електронів, як і заряд ядра, дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Ясно, що знаходитись у стані спокою електрони усередині атома не можуть, оскільки вони впали б на ядро. Вони рухаються навколо ядра подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Такий характер руху електронів визначається дією кулонівських сил з боку ядра.
В атомі водню навколо ядра обертається усього лише один електрон. Ядро атома водню має позитивний заряд, рівний по модулю заряду електрона, і масу приблизно у 1836,1 разів більшу за масу електрона. Це ядро було назване протоном і стало розглядатися як елементарна частинка. Розмір атома – це діаметр орбіти його останніх електронів.
Але на основі цієї моделі не можна пояснити факт існування атома, його стійкість.
Вихід зі вкрай скрутного положення в теорії атома був знайдений у 1913 р. датським фізиком Нільсом Бором на шляху подальшого розвитку квантових уявлень про процеси у природі. Він у вигляді постулатів сформулював основні положення нової теорії. Але закони класичної фізики не відкидалися ним беззастережно, нові постулати скоріше накладали лише деякі обмеження. Успіх теорії Бора був вражаючим, і всім ученим стало ясно, що Бор знайшов правильний шлях розвитку теорії. Цей шлях привів згодом до створення стрункої теорії руху мікрочастинок – квантової механіки.