В

Открытие атомного ядра

начале XX века атомная гипотеза уже имела под собой прочный фундамент. С другой стороны, открытие Резерфордом и Содди превращений элементов при радиоактивном распаде опровергло представление о неизменности атома. Однако ни в одном исследовании не было получено никаких данных о структуре атома. Существовало мнение, что электроны играют некую роль в структуре атома, но роль эта оставалась неизвестной. Ясно было лишь то, что электроны определенно имеют отношение к спектру света, излучаемого атомом.

Тем не менее, к этому времени уже было выдвинуто несколько гипотез о строении атома. К их числу, в первую очередь, относится гипотеза Проута, выдвинутая еще в начале XIX века. Проут исходил из результатов измерений, указывавших, что атомные веса элементов приблизительно кратны атомному весу водорода. На основе этого он и высказал предположение, что атомы всех элементов построены из атомов водорода.

Вторая гипотеза, опубликованная в 1903 году, принадлежала немецкому физику Филиппу Ленарду, который пришел к ней в результате исследования прохождения электронов катодных лучей через тонкие фольги. Результаты исследований, считал Ленард, позволяли сделать вывод, что «атомы различных веществ построены из различного числа составляющих одного и того же типа». Эти составляющие он назвал динамидами. Из почти полной прозрачности фольг для катодных лучей он сделал вывод, что объем динамид составляет лишь ничтожно малую часть (порядка 10^12) объема всего атома, линейный размер которого он оценил в несколько ангстрем. Ленард предположил, что динамида может представлять собой тесное объединение электрона с положительно заряженным телом, обладающим значительно большей массой, чем сам электрон. Однако Ленард не попытался исследовать динамику своей модели, и на нее не обратили внимания.

Третья модель была разработана в том же 1903 году японским ученым Хантаро Нагаокой. Согласно этой модели, получившей название планетарной, атом состоит из массивной положительно заряженной сферы, вокруг которой по окружности через определенные интервалы располагаются электроны. В свое время анализ такой системы провел Максвелл для колец Сатурна. Нагаока обнаружил, что электростатическое отталкивание между электронами (в отличие от гравитационного притяжения между частицами в кольцах Сатурна) не меняет результата максвелловского анализа. Кроме того, он предположил, что малые колебания электронов относительно положений равновесия вызывают оптическое излучение, и получил качественное согласие с наблюдаемыми свойствами оптических спектров. Наконец, он предположил, что достаточно сильное возмущение может разрушить атом; при этом электроны должны вылетать в виде -частиц, а центральная положительно заряженная сфера испускает -частицы.

В 1905 году Вильгельм Вин подверг планетарную модель обстоятельной критике. «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого подобно планетам обращаются электроны. Но такая система, – отмечал Вин, – не может быть устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много сомнительного».

Такой статической моделью был «пудинг с изюмом» – предложенная в 1904 году Дж. Дж. Томсоном модель, согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее электронами, суммарный отрицательный заряд которых равен положительному заряду сферы. Справедливости ради следует заметить, что такую же модель предложил и Уильям Томсон. Эта модель «атома Томсонов» пользовалась популярностью среди физиков вплоть до открытия ядра Резерфордом и модели атома Бора. В простейшем атоме водорода электрон предполагался расположенным точно в центре положительно заряженной сферы. При смещении электрона из центра на него должна была действовать квазиупругая сила электростатического притяжения, под действием которой электрон совершал бы колебания, частота которых совпадает с частотой спектральной линии атома. В многоэлектронных атомах электроны, согласно Томсону, располагались по устойчивым конфигурациям. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Нильс Бор впоследствии отмечал, что идея Томсона о разделении электронов в атоме на группы была чрезвычайно плодотворной и, несмотря на то, что теория Томсона оказалась несовместимой с опытными фактами, она содержала «много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории».

Р

ешающий шаг в развитии представлений о структуре атома был сделан в результате исследований рассеяния -частиц, выполненных под руководством Эрнста Резерфорда в Манчестерском университете в 1908 – 1911 гг. стажером Гансом Гейгером и аспирантом Эрнстом Марсденом. Проблема рассеяния -частиц привлекла внимание Резерфорда еще в 1906 году, когда он работал в университете Мак-Гилла в Канаде. Он заметил, что коллимированный пучок -частиц, проходя через воздух, оставляет на фотопластинке четко очерченное пятно, но если на его пути поставить пластинку слюды толщиной в 20 мкм, то пятно расплывается. Это расплывание соответствовало отклонению -частиц приблизительно на 2, но, оценив напряженность электрического поля, которое могло бы вызвать такое отклонение, Резерфорд получил огромную величину порядка 10⁸ В/см. «Такой результат, – отмечал Резерфорд, – … означает, что в атомах материи должны быть сосредоточены огромные электрические силы».

В

Рис.39. Кривые, полученные Гейгером при изучении рассеяния частиц в воздухе (А), в одной золотой фольге (В), в двух золотых фольгах (С)

1908 году в Манчестере Резерфорд поручил Гейгеру провести более подробное исследование рассеяния -частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу. Гейгер получил такие же результаты, как и для рассеяния -частиц пластинками слюды (рис. 39). Измерения Гейгера охватывали интервал отклонений -частиц на экране от оси пучка лишь до 10 мм, что при расстоянии от коллимирующей щели до экрана в 54 см соответствовало примерно углу в 1. По предложению Гейгера Резерфорд поручил Марсдену проверить, не рассеиваются ли -частицы на большие углы. В этих исследованиях Гейгер и Марсден обнаружили, что некоторые -частицы (приблизительно 1 из 8000) рассеиваются на очень большие углы, иногда превышающие 90 и даже доходящие в отдельных случаях до 180.

Резерфорд понимал, что в рамках томсоновской модели атома падающая   частица в результате однократного столкновения с атомом не может подвергнуться воздействию столь большой силы, чтобы рассеяться на большой угол. Более правдоподобным выглядело бы отклонение   частицы на большой угол как суммарный эффект ряда последовательных отклонений на малые углы. Но расчеты показали Резерфорду, что вероятность отклонения на большой угол за счет многократного рассеяния   частицы на малые углы очень мала и, соответственно, количество   частиц, отклоняющихся на значительный угол, должно быть много меньше наблюдавшегося в эксперименте.

И тогда Резерфорд обратился к планетарной модели. Он указал, что наблюдаемые явления легко объясняются в предположении, что в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро радиусом порядка 10^13 см, создающее очень сильное электрическое поле. На основании этой модели Резерфорд развил количественную теорию рассеяния -частиц. Исходя из электронейтральности атома в целом, он считал заряд ядра равным +Ze, где Z – количество электронов в атоме. В расчетах Резерфорда масса ядра полагалась значительно превосходящей массу -частицы, так что при взаимодействии с последней ядро можно было считать неподвижным. Наконец, Резерфорд предположил, что сила взаимодействия между ядром и -частицей подчиняется закону Кулона. Последнее предположение по существу являлось гипотезой, так как у Резерфорда не могло быть никаких оснований для уверенности в том, что взаимодействие микрочастиц на столь малых расстояниях описывается законом Кулона, справедливость которого была твердо установлена лишь для макроскопических тел. Исходя из этих предположений, Резерфорд вывел формулу для расчета количества частиц dN, рассеиваемых на угол  в пределах телесного угла d:

, (17.1)

где N – плотность потока частиц, падающих на поверхность фольги, n – число рассеивающих ядер в 1 см³ вещества фольги, l – толщина фольги, M – масса частицы, v – скорость частиц.

Результаты своих теоретических исследований Резерфорд доложил 7 марта 1911 года на заседании философского общества Манчестера. В докладе он, в частности, говорил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить, что атом состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины». Резерфорд отмечал, что согласно его теории вероятность отклонения частицы на угол  при прохождении сквозь фольгу толщиной l пропорциональна lcosec⁴. Для томсоновской модели изменение вероятности с толщиной фольги должно было происходить по закону , а угловая зависимость определялась множителем , где – средний угол отклонения, равный примерно 1.

Р

Рис. 40. Схема установки Гейгера и Марсдена, использованной для измерения углового распределения рассеянных частиц

азличие в предсказанных закономерностях было столь значительным, что вполне допускало экспериментальную проверку, но для этого требовался значительно более точный эксперимент, нежели предыдущие работы. Эксперименты по тщательной проверке формулы Резерфорда были выполнены Гейгером и Марсденом, и результаты этих исследований опубликованы в 1913 году. Из формулы Резерфорда (17.1) следовало, что если изменять лишь угол  при сохранении всех остальных условий эксперимента, то должно выполняться соотношение

.

Этот вывод и был проверен в первую очередь. Для этого применялась следующая экспериментальная установка (рис. 40). Металлический цилиндр B укреплялся на круге A, снабженном делениями. Цилиндр вместе с кругом мог вращаться на шлифе C. Радиоактивный препарат R и рассеивающая фольга F устанавливались на трубке T независимо от цилиндра; этим достигалась неизменность положения R и F при поворотах остальной системы. Прозрачный экран S, покрытый сцинтиллятором, укреплялся перед микроскопом M, неподвижно сочлененным с цилиндром B. Поворачивая круг A, можно было устанавливать микроскоп для измерения числа частиц, рассеянных под любым углом . Цилиндр закрывался сверху стеклянной пластинкой P и откачивался через трубку T, чтобы избежать рассеяния частиц в воздухе. В течение всего эксперимента было подсчитано свыше ста тысяч сцинтилляций.

Полученные Гейгером и Марсденом результаты для рассеяния частиц золотой фольгой приведены в таблице 1, из которой видно, что, несмотря на то, что величина и число сцинтилляций изменялись в очень широких пределах, произведение оставалось приблизительно постоянным в согласии с выводами из теории Резерфорда.

Таблица 2

Рассеяние частиц золотой фольгой

Угол отклонения, град		Число сцинтилляций
150 135 120 105 75 60 45 30 15	1,15 1,38 1,79 2,53 7,25 16,0 46,6 223 3445	33,1 43,0 51,9 69,5 211 477 1435 7800 132000	28,8 31,2 29,0 27,5 29,1 29,8 30,8 35,0 38,4

Гейгером и Марсденом были также проведены эксперименты по проверке предсказаний теории Резерфорда для зависимости вероятности рассеяния от толщины фольги и от скорости частиц. Во всех случаях для рассеяния частиц в фольгах из тяжелых металлов было установлено хорошее согласие экспериментальных результатов с формулой Резерфорда.

Таким образом, существование атомного ядра было твердо установлено. Согласие экспериментальных результатов Гейгера и Марсдена с формулой Резерфорда одновременно служило доказательством применимости закона Кулона к взаимодействию между частицами и рассеивающими ядрами.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году Ван ден Брук показал, что зарядовое число ядра Z совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. В том же году Содди и Фаянс пришли к закону смещения, согласно которому при распаде радиоактивный элемент смещается на два номера к началу, а при распаде – на номер к концу таблицы Менделеева. Этот закон получил убедительное истолкование с точки зрения представления о номере элемента как о заряде ядра.

Опыты Резерфорда, Гейгера и Марсдена свидетельствовали в пользу планетарной модели атома. Но, согласно классической механике, устроенный таким образом атом мог быть устойчив лишь в том случае, если бы электроны обращались вокруг ядра по некоторым орбитам. С точки же зрения максвелловской электродинамики такой атом все-таки был бы неустойчив, так как при периодическом движении по орбитам электроны должны излучать энергию в виде электромагнитных волн и, следовательно, падать на ядро. При этом частота обращения электронов вокруг ядра должна непрерывно меняться; следовательно, атом испускал бы сплошной спектр, а не резкие спектральные линии, наблюдавшиеся в эксперименте.

В 1913 году Дж. Дж. Томсон, учитывая экспериментальные данные о рассеянии частиц и соображения Резерфорда, попытался объяснить устойчивость атома в рамках планетарной модели, предположив, что сила взаимодействия между электронами и ядром не является кулоновской, а зависит от расстояния по следующему закону:

,

где C – постоянная, равная по порядку величины 10^8 см. В случае взаимодействия с ядром посредством такой силы электроны в атоме могли бы находиться в равновесии, будучи неподвижными. Сам Томсон довольно долго придерживался своей гипотезы строения атома.