Концепция атома как аналога планетарной системы

Проблема внутренней структуры атома

Эта проблема возникла после открытия ионов в химии и электрона в физике. Ионами, по определению, называют атомы, несущие положительный или отрицательный электрические заряды. Величину заряда количественно можно определить с помощью прибора Гофмана.

Он состоит (рис. 12) из двух стеклянных сообщающихся сосудов, заполненных в исходном положении слабым электролитом (подкисленной водой). В сосуды введены электроды, которые можно подключить к электрической батарее. При замыкании цепи в сосудах начинается электрохимическая реакция, в результате которой в сосуде с положительным потенциалом электрода выделяется кислород, а в сосуде с отрицательным электродом скапливается водород. По объему газов можно рассчитать количество нейтрализованных ионов (они нейтрализуются па электродах, превращаясь в атомы и образуя пузырьки газа). В свою очередь, измерение количества заряда, протекшего по цепи, даст сумму зарядов нейтрализованных ионов. Из сопоставления данных находят величину электрического заряда одного иона водорода: 1,6-10~|9Кл.

Схема прибора Гофмана

Рис. 12. Схема прибора Гофмана

Очевидно, что из нейтрального, в целом, атома водорода уходит к атому кислорода некая его часть, имеющая электрический заряд. Атом водорода становится положительно заряженным ионом, значит ушедшая часть атома имеет заряд отрицательный (в атоме водорода равные, положительный и отрицательный, заряды будут взаимно скомпенсированы до нуля). Заряды всех других ионов всегда кратны по абсолютной величине заряду иона водорода, и меньшего количества заряда не наблюдается. Это означает, что некие «элементали» электрического заряда входят в состав всех атомов.

Тень от К-лучей в трубке Крукса

Рис. 13. Тень от К-лучей в трубке Крукса

Так возникает проблема состава и структуры атомов, считавшихся ранее неделимыми и не имеющими поэтому никаких составных элементов. Оказывается, в атомах есть противоположно заряженные части. Что они собою представляют? Какова масса частицы, несущей отрицательный заряд? Методы химии не могли дать ответа на эти вопросы.

Открытие частицы-переиосчика электрического заряда произошло эмпирическим путем в физике при исследовании тока в разреженных газах. При определенных условиях (достаточное разряжение и высокая разность потенциалов, приложенная к электродам) в трубке Крукса наблюдалось свечение стекла (рис. 13).

Казалось, что некие лучи исходят из катода и освещают стекло напротив катода. Если на пути лучей помещалось препятствие, то оно отбрасывало тень на поверхность стекла. Какого-либо теоретического предсказания эффекта в данном случае не имелось, приходилось продолжать эксперименты, чтобы понять природу (механизм) явления.

Для этого различные варианты трубки Крукса помещали в магнитное поле, а для визуализации лучей применяли экран с люминофором (веществом, светящимся более ярко, чем стекло, при попадании на него лучей). На рис. 14 приведена фотография следов К-лучей (лучей Крукса), полученная в однородном магнитном поле, вектор индукции которого направлен перпендикулярно к плоскости фотографии.

ние. 14. След К-лучей в магнитном поле

Как видно из приведенной иллюстрации, магнитное поле оказывает физическое действие на лучи, заставляя их двигаться по криволинейному пути. Этот эксперимент однозначно свидетельствует, что К-лучи представляют собой поток заряженных частиц. Как известно из школьного курса физики, путь движения (траекторию) заряженных частиц в магнитном поле определяет сила Лоренца. Направление действия этой силы на положительно заряженную (пробную) частицу определяется по мнемоническому правилу левой руки. Применяя это правило, положим ладонь левой руки на страницу учебника с фотографией, повернув ее к себе, чтобы линии индукции входили в ладонь. Четыре пальца ладони должны быть направлены по направлению входа частиц в магнитное поле, т. е. вверх. Большой палец покажет направление действия магнитного поля на движущийся положительный заряд.

Что следует из того факта, что Ваш большой палец направлен в одну сторону, а след К-частиц на фотографии в противоположную? Это значит, что частицы К-лучсй имеют знак электрического заряда, противоположный положительному, т. е. отрицательный. Поэтому и направление силы Лоренца для них другое, противоположное.

Дальнейшие опыты показали, что К-лучи возникают независимо от химического состава газа в трубке Крукса. Это очень важное наблюдение. Оно говорит о том, что какие-то отрицательно заряженные частицы входят в состав всех химических элементов (всех сортов атомов). Естественно напрашивался вывод, что именно эти частицы участвуют в образовании ионов из нейтральных атомов.

Проблема заключалась в том, что была неизвестна масса этих частиц, а без знания ес численного значения трудно признать новую частицу материальной, вещественной. Заслуга определения массы частиц К-лучей принадлежит Дж. Дж. Томсону (рис. 15).

Дж. Дж. Томсон в лаборатории

Рис. 15. Дж. Дж. Томсон в лаборатории

Идея эксперимента Томсона заключалась в том, чтобы скомпенсировать действие магнитного поля на заряженную частицу действием на нее электрического поля. При равенстве и противоположном направлении двух сил траектория К-лучей выпрямлялась, что фиксировалось очевидным наблюдением. Решая совместно уравнения для магнитной и электрической сил, Дж. Дж. Томсон определил скорость движения К-частиц.

Узнав скорость частиц и измерив радиус траектории их движения (см. рис. 14), он нашел отношение величин электрического заряда к массе частицы (впоследствии эту величину назвали удельным зарядом электрона).

Поскольку величина заряда К-частицы по абсолютной величине была известна (см. выше определение заряда иона водорода), оказалось возможным дать количественную оценку величины массы новой элементарной частицы, названной электроном. За открытие электрона (точнее, за установление в 1897 г. его количественных характеристик) Дж. Дж. Томсону позднее была присуждена Нобелевская премия по физике.

Два вопроса, по меньшей мерс, возникли после факта открытия электрона:

  • 1) Где находится электрон в составе нейтрального атома, снаружи или внутри положительно заряженной области?
  • 2) Что собой представляет область положительного заряда?

В начале XX столетия были высказаны, почти одновременно, несколько гипотез о внутренней структуре атома. При этом все авторы исходили из принципа единства мира и подобия его частей. Этот принцип имеет древнее происхождение. Считается, что его выразил древнеегипетский мистик Гермес Трисмегист фразой: То, что находится наверху, подобно тому, что находится внизу.

Поэтому ожидалось, что объекты микромира могут быть устроены наподобие объектов мегамира или макромира. (Отметим здесь, в скобках, влияние метафизической картины мира на формирование физической картины мира, отраженное пунктирной стрелкой па схеме рис. 6).

Модели атома водорода, предложенные различными авторами в самом начале XX в., представлены на рис. 16.

Modem строения атома (Ж. Перен, X. Нагаока и Дж. Дж. Томсон)

Рис. 16. Modem строения атома (Ж. Перен, X. Нагаока и Дж. Дж. Томсон)

Наибольшее признание получила модель Дж. Дж. Томсона, в которой электрон совершал колебания вокруг центра положительно заряженной области (в других моделях электроны вращались вокруг положительно заряженной области, не входя в нее). Какая из предложенных гипотетических моделей верна? Ответ должен был дать эксперимент - таково общее правило в науке. Но какой эксперимент? Чем подействовать на атом?

Химические методы воздействий приводили к ионизации молекул и атомов, но не вскрывали их внутреннее устройство. Пришлось использовать методы физики, в арсенале которой к тому времени появились различные излучения с высокой проникающей способностью.

Более ста десяти лет назад (1896 г.) А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Годом раньше В. Рентген обнаружил таинственные X -лучи, которые просвечивали, например, руку человека и оставляли на фотопластинке силуэты фаланг пальцев (см. рис. 17). Для современников Рентгена это было поразительно! Позднее выяснилось, что Х-лучи, или рентгеновское излучение, представляют собой электромагнитное излучение с энергией квантов, в десятки тысяч раз превосходящих энергию квантов фиолетового светового излучения.

Энергия квантов радиоактивного гамма-излучения, всегда сопровождающего альфа- или бета-распад, не менее чем в миллион раз выше энергии светового излучения. Все электромагнитные излучения нейтральны и не могут отклоняться в поле отрицательных или положительных зарядов. Для целей зондирования распределения зарядов в атомах более подходящими являлись бета-частицы (электроны) и альфа- частицы (ядра атомов гелия).

В 1909 г. Г. Гейгер и Э. Мардсен, по заданию Э. Резерфорда, начали исследования рассеяния альфа-частиц тонкими (настолько, что они становились полупрозрачными для света) пленками золота. Эго называлось «бомбардировать атом альфа-частицами» [9]. Топкость золотой фольги

Исторические снимки, связанные с открытиями В. Рентгена и А. Беккереля

Рис. 17. Исторические снимки, связанные с открытиями В. Рентгена и А. Беккереля

обеспечивала практически однократное взаимодействие альфа-частицы с одним из атомов золота. Другие сотрудники в лаборатории Резерфорда «бомбардировали» атом бета-лучами.

Теоретически модель Дж. Томсона предсказывала, что альфа- частицы после пролета через однородно заряженную область объема атома будут отклоняться от прямолинейной траектории на небольшие углы вперед по их движению. Но совершенно неожиданно было обнаружено, что малое количество альфа-частиц (примерно одна частица на 8000 падающих) отклоняется назад, под углами почти до 180°. По воспоминаниям Э. Резерфорда, было ощущение, что пушечный снаряд отразился от листа бумаги! Однако через некоторое время Резерфорд догадался, какой внутренней структуре атома соответствуют результаты измерений Г. Гейгера и Э. Мардсена.

Он сопоставил силы отталкивания, которые возникают при пролете альфа-частицы сквозь атом по различным моделям. Чтобы остановить альфа-частицы, потенциальная энергия электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц (положительно заряженной альфа- частицы и положительно заряженной области в составе атома) должна быть больше кинетической энергии бомбардирующих частиц на расстоянии г < rmin. Для случая центрального столкновения минимальное расстояние, на которое сможет проникнуть альфа-частица данной энергии, может быть найдено из соотношения:

Здесь в левой части равенства записано выражение для потенциальной энергии, а в правой - для кинетической. Как следует из формулы (1), огромное значение потенциальной энергии взаимодействующих зарядов, достаточное для отражения альфа-частиц, возможно только при малом численном значении расстояния между зарядами, порядка 10 15 м. Это значение на пять порядков величины меньше размеров атома. Следовательно, модель Дж. Дж. Томсона (учеником которого был Э. Резерфорд) не соответствует действительности. Экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу выбора нуклеарно- планстарной модели атома.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >