У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро
Шрифт:
РИС. 7
РИС . 8
РИС . 9
Этот прорыв оказался возможным благодаря катодным лучам, представляющим собой электронные пучки, то есть поток электронов, испускаемых трубкой Крукса с небольшим количеством разреженного газа и впаянными в нее анодом и катодом (см. рисунок 6). При разности потенциалов появляются катодные лучи (электронные пучки), дающие зеленоватый флуоресцентный свет
Также отмечалось, что при столкновении с объектом лучи могли сдвигать его вертушкой (см. рисунок 8). Это означало, что лучи состоят из частиц, обладающих массой. Затем выяснилось, что лучи обладают отрицательным зарядом, поскольку при воздействии на лучи магнитным полем проекция на стекле перемещалась относительно прямой траектории, так как лучи притягивались магнитом при наведении положительного полюса и отдалялись при приближении отрицательного (см. рисунок 9). Так Томсон идентифицировал электроны.
Ученый назвал их " корпускулами", а слово "электрон" было введено Джорджем Джонстоном Стони (1826-1911), их отличительная характеристика заключается в том, что они обнаруживались во всех элементах. Томсон доказал, что вне зависимости от происхождения корпускул и от выбора элементов, частицы демонстрируют одинаковые физические свойства. Томсон говорил об открытии следующее:
"Так как любой химический элемент способен производить электроны, мы можем заключить, что они входят в состав всех атомов.
Мы сделали первый шаг в понимании строения атомов".
Томсон первым увидел элемент структуры атома. Однако это открытие требовало поиска ответов на новые вопросы. Если у атома нейтральный заряд, что же внутри него противостоит отрицательно заряженным электронам?
Броуновское движение — это атомное явление, которое нетрудно увидеть, необходимы только микроскоп и частицы пыльцы. Однако в течение десятилетий ему не находилось объяснения. В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун наблюдал, как частицы пыльцы беспорядочно двигались без очевидной причины в воде, хотя должны были пребывать в состоянии покоя. Вот почему Броун заинтересовался этим движением. Только Альберт Эйнштейн рискнул дать ему объяснение в одной из своих статей, опубликованных в "чудесном· 1905 году. Эйнштейн пришел к выводу, что движение было вызвано воздействием атомов воздуха и воды на частицы пыльцы. Атомы газа находятся в постоянном движении, но их размер не позволяет нам наблюдать за ними.
Французский физик Жан-Батист Паррен, 1926 год.
Частицы пыльцы достаточно легкие, поэтому движение атомов воздействует на них; с другой стороны, они достаточно крупные, чтобы наблюдать за ними. Mo есть еще одно доказательство атомной теории.
Идеи Эйнштейна требовали эмпирической поддержки. И эту поддержку дала работа Жана-Батиста Перрена (1870-1942), за которую в 1926 году тот был удостоен Нобелевской премии в области физики. Перрен использовал ультрамикроскоп, благодаря чему определил размер молекулы воды и составляющих ее атомов. В1913 году он опубликовал свои результаты: размер атома составляет 10– 10 м. Перрен был привлечен к исследованиям строения атома и предложил изменить модель Томсона, отмечая, что электроны должны располагаться на внешней поверхности атома (иначе говоря, изюм должен находиться на поверхности пудинга). В любом случае речь шла об относительно корректной догадке.
А принимая во внимание низкую массу электронов, в чем содержится основная масса атома? В 1899 году Томсон так описал свои сомнения относительно заряда:
"Хотя автономно электроны ведут себя как отрицательно заряженные ионы, в составе атома нечто противопоставляется их
Имея на руках такие аргументы, Томсон предложил модель атома, о которой мы уже говорили, — пудинговую модель. Он также хотел объяснить массу атома, отталкиваясь исключительно от электронов. Но по отдельности электроны обладают малой массой, это заставляло думать, что в атоме содержится чрезвычайно много электронов. Гипотезу отвергли, когда было установлено, что количество электронов в атоме должно совпадать с порядковым номером элемента в периодической системе. В модели Томсона не учитывалось слишком многое.
Осуществленный именно в этот момент эксперимент Резерфорда, который был описан в предыдущей главе, произвел эффект разорвавшейся бомбы. Новозеландский химик и физик попал в яблочко атомного ядра, навсегда изменив наше представление об атоме.
Строение атома, каким его обозначил Резерфорд, напоминало Солнечную систему в миниатюре. Ядро, занимающее центральное положение, было как звезда, а электроны, как планеты, вращались вокруг него. Концепция Резерфорда стала своеобразным каркасом, который на базовом уровне объясняет строение атомов. Но, как и всякое выдающееся научное открытие, это дало больше вопросов, чем ответов. В каком порядке располагаются электроны вокруг ядра? Из чего состоит ядро? Было и одно самое существенное неизвестное.
В 1911 году, создав эту модель, Резерфорд совершил величайшую со времен Демокрита перемену во взгляде на материю.
Сэр Артур Эддингтон (1882-1944), британский астрофизик
Согласно этой модели электрон вращается вокруг ядра, ввиду противоположного знака его заряда. Но по законам классической термодинамики, вращаясь, электрон должен испускать излучение и, соответственно, терять энергию. Это означает, что рано или поздно электрон должен упасть на ядро. Это стало бы катастрофой и разрушило бы всю окружающую нас реальность. Но материя стабильна, таким образом какой-то из известных законов или модель пребывает в явном противоречии. Проще всего было усомниться в предложенной модели атома, а не в принятых научным сообществом теориях, например в электромагнетизме. Однако имелись неоспоримые доказательства того, что модель Резерфорда верна. Согласно ей стабильность атома невозможна, но именно это мы и наблюдаем. Представляя свое открытие Королевскому обществу в 1911 году, он не скрывал собственного удивления подобному положению вещей. Для того чтобы объяснить строение атома, требовались новые законы, так как законы, управляющие объектами макроскопического мира, по видимости, здесь были неприменимы.
Эрнест Резерфорд, 1908 год.
Британский физик Джозеф Джон Томсон, руководитель Резерфорда в Кавеидишской лаборатории, первооткрыватель электрона, поставивший эксперимент с потоком частим (электронов) катодных лучей.
Немецкий физик Ханс Вильгельм Гейгер (слева) и Эрнест Резерфорд.
Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) родился в Копенгагене. Его отец был врачом и дважды становился претендентом на Нобелевскую премию, мать происходила из состоятельной семьи. Бор изучал физику в Копенгагенском университете.
ГЛАВА 2
Альфа, бета и гамма
Вместе с Беккерелем и Марией Кюри Резерфорд разделяет славу открывателей природы радиоактивности. Ученый пришел к выводу, что это явление состоит из комплекса излучений, различающихся по электрическому заряду и способности проникновения в материю: заряд альфа-частицы положительный, а проникающая способность слабая; бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью и отрицательным зарядом. Резерфорд также внес значительный вклад в обнаружение гамма-излучения.