2. Явления, подтверждающие сложность строения атома. Элементарный электрический заряд. Открытие электрона.

Явления, подтверждающие сложное строение атома

Атомы представляют собой очень прочные системы, несоизмеримо более устойчивые, чем составленные из атомов молекулы. Такие внешние воздействия, как нагрев, изменение давления, мощные электрические разряды и т.д., приводят лишь к незначительным изменениям атомов: они могут ионизоваться. Поэтому до конца XIX в. атомы считали простейшими неделимыми частицами вещества. Однако последующее развитие науки опровергло эту точку зрения. Было установлено, что атомы представляют собой сложные образования. Об этом свидетельствуют следующие факты.

1. Электромагнитная теория света свидетельствует, что атомы содержат в себе электрические заряды, способные перемещаться. Действительно, согласно теории Максвелла, электромагнитные волны излучают ускоренно движущиеся заряды. Но атомы, как показывал опыт, способны испускать свет, причем не только оптического диапазона — электромагнитные волны. Следовательно, в состав атомов входят ускоренно движущиеся заряды.

2. Изучение электропроводности металлов показало, что в состав атомов входят отрицательно заряженные частицы (электроны).

3. Закон электролиза, открытый М. Фарадеем, свидетельствовал в пользу существования мельчайших неделимых носителей электрического заряда.

При электролизе 1 моль любого n-валентного вещества переносит заряд |q|=nF=96500⋅n Кл, где F — постоянная Фарадея. На один ион приходится заряд |q|=FnNA=1,6⋅10−19nКл, где N_A — постоянная Авогадро.

Эту закономерность легко понять, если принять, что заряд |e|= 1,6 • 10^-19 Кл является мельчайшей порцией заряда — элементарным зарядом. Значит, в состав атомов электролитов входят частицы с зарядом e.

4. В 1879 г. при пропускании электрического тока через разряженный газ в трубке были обнаружены так называемые катодные лучи, представляющие собой частицы, летящие от катода к аноду. Они отклоняются в электрическом и магнитном полях, дают тень фигурного анода на светящемся стекле и т.д. В 1897 г. Дж. Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток электронов. Причина их появления — бомбардировка катода ионами разреженного газа, ускоренными в электрическом поле между катодом и анодом. Следовательно, в состав атомов катода входят электроны.

5. В. Рентген открыл так называемые Х-лучи (рентгеновские лучи), которые возникали при торможении быстрых электронов у анода. Существование рентгеновских лучей свидетельствовало о каких-то процессах, происходящих внутри атома, о сложном строении самого атома.

6. Решающее доказательство того, что в состав любого атома входят и положительно, и отрицательно заряженные частицы, получил французский ученый А. Беккерель. В 1896 г. он обнаружил явление естественной радиоактивности, при котором из атомов вылетают электроны и положительно заряженные частицы, получившие название α-частиц.

Таким образом, все приведенные факты, а также многие другие явления свидетельствуют о сложной структуре атома. В результате возникла необходимость создания модели атома.

Первую модель атома предложил Дж. Томсон. Согласно этой модели, атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находится такое количество электронов, чтобы атом в целом был электрически нейтрален. Эти электроны могут совершать колебания, что позволяет объяснить излучение атомом электромагнитных волн.

Эта модель имела ряд недостатков.

Она не могла объяснить наличие большого числа линий в спектрах атомов.

Модель не позволяла объяснить спектральные закономерности в спектре атома водорода, найденные эмпирически.

Модель Томсона не давала возможности понять, чем определяются размеры атомов.

Главный же фактор, заставивший отказаться от модели Томсона, состоял в том. что эта модель оказалась в полном противоречии с опытом Э. Резерфорда.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

( е) -наименьший электрич. заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда электрона: е = 4,803250(21)·10^-10 ед СГСЭ= 1,6021892(46)·10^-19 Кл. Почти все элементарные частицы обладают электрич. зарядом + е или - е (или не заряжены), исключение составляют нек-рые резонансы с зарядом, кратным е (напр., D⁺⁺ с зарядом 2e). Природа такого "квантования" электрич. заряда не ясна. В теории элементарных частиц предполагается, что кварки - элементарные составляющие адронов-обладают дробным электрич. зарядом, кратным е/3

Открытие электрона

В 1894 г. Томсон приступил к экспериментам с катодными лучами. До Томсона подобными исследованиями занимались Гиторф, Крукс, Гольдштейн и др., открывшие многие важные свойства этих лучей, но еще не был решен главный вопрос - о природе этих лучей. Гольдштейн, как и большинство немецких физиков, придерживался мнения, что катодные лучи - это волны в эфире. Английские ученые Варлей (1871) а также Крукс (1879) отождествляли эти лучи с заряженными частицами, вырываемыми с катода под прямым углом к его поверхности и движущимися с большой скоростью. Эту точку зрения поддерживали и многие другие английские физики. Противниками и сторонниками этих двух теорий ставились многочисленные эксперименты с целью опровергнуть одну и подтвердить другую точку зрения.

Вначале он установил, что катодные лучи несут отрицательный заряд. Следующий шаг Томсона - это эксперименты по отклонению катодных лучей электрическим полем. Установка представляла собой разрядную трубку, внутри которой были укреплены две металлические пластинки, соединенные с полюсами батарей. Пучок лучей пропускался между этими пластинками и наблюдался на экране трубки. Вначале Томсон не мог получить отклонение лучей в электрическом поле. Он наблюдал только слабое колебание луча в момент подачи разности потенциалов между пластинками. Томсон объяснил это явление действием катодных лучей на остаточный газ. Если в разрядной трубке оставался газ, то катодные лучи ионизировали его, и положительно заряженная пластинка притягивала отрицательные ионы, а отрицательно заряженная - положительные. Таким образом, заряд пластинки нейтрализовался ионизацией остаточного газа. Значит, для получения знаменитого эффекта отклонения лучей в электрическом поле необходимо было позаботиться о лучшем вакууме. Получение хорошего вакуума было трудным делом, насосы были несовершенны. Установка Томсона работала, не выключаясь, несколько дней. Был получен достаточно хороший вакуум, и отклонение катодных лучей стало хорошо заметным. Направление их отклонения подтвердило, что катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы.

Затем Томсон приступает к определению скорости и удельного заряда этих частиц. Он обобщает опыты Шустера, определявшего e/m по отклонению катодных частиц в магнитном поле, используя для определения этого отношения как магнитное, так и электрическое поля.

Данные экспериментов Томсона показали, что значения e/m для различных газов, в пределах экспериментальных ошибок, одинаково. Томсон писал, что "постоянство значения e/m для ионов, составляющих катодные лучи, есть поразительный контраст изменчивости соответствующих величин для ионов, которые несут ток в электролитах. Если мы сравним значение e/m = 7,7 106 для ионов в катодных лучах с соответствующими величинами для ионов, которые несут ток в электролитах, мы придем к очень интересному значению: наибольшее значение e/m в случае электролиза будет при водородном ионе, в этом случае e/m = 104.

Когда мы рассматриваем электрический заряд, несомый ионом в катодных лучах, мы, принимая, что он равен по модулю заряду, несомому водородным ионом при электролизе, заключаем, что масса водородного иона должна быть в 770 раз больше массы иона в катодных лучах; следовательно, носитель отрицательного электричества в этих лучах должен быть очень малым по сравнению с массой водородного атома".

Этот результат ошеломил Томсона, и он предпринимает его тщательное изучение, улучшает методику эксперимента с целью получения более точных значений e/m, определяет это значение для отрицательных частиц, испускаемых металлами под действием ультрафиолетового света, для частиц, испускаемых нагретыми металлами, и находит его таким же, как и для катодных частиц. После долгих размышлений Томсон приходит к следующим заключениям: 1. ". атомы неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света или тепла"; 2. ".все эти частицы одинаковой массы несут одинаковый заряд отрицательного электричества от любого рода атомов, и они являются составной частью всех атомов"; 3. ". масса этих частиц меньше одной тысячной массы атома водорода". Томсон назвал эти частицы корпускулами. Однако это название не удержалось в науке. По предложению ирландского физика Дж. Стонея частицу, несущую элементарное количество электричества, стали называть электроном.