1. Модель атома Томсона
До 1902 р. було здійснено достатньо експериментів, які переконливо довели, що електрон є однією з основних складових частин будь-якої речовини.
Джозеф Джон Томсон показав на основі класичної електромагнітної теорії, що розміри електрона повинні бути близько 10-15 м. Крім того, було відомо, що розміри атомів становлять кілька ангстрем (один ангстрем дорівнює 10-10 м). На цій підставі Томсон 1903 р. запропонував модель атома, відповідно до якої атоми являють собою однорідні кулі з позитивно зарядженої речовини, у якій перебувають електрони. Сумарний заряд електронів дорівнює позитивному заряду атома. Тому атом загалом електрично нейтральний. Ця модель одержала назву «пудинг», тому що електрони були вкраплені в позитивно заряджене середовище подібно до родзинок у пудингу.
Модель Томсона здавалася привабливою з того погляду, що передбачала наявність електронів в атомі. Однак вона проіснувала тільки до 1911 року.
2. Досліди Резерфорда
Резерфорд запропонував своїм співробітникам експериментально перевірити заможність моделі атома Томсона. Ідея досліду була проста. Якщо модель атома Томсона відповідає дійсності, то, пропускаючи через дуже тонку металеву плівку вузький пучок швидких α-частинок, експериментатори не повинні виявити скільки-небудь помітного відхилення цих частинок.
Резерфорд установив, що кожна α-частинка, потрапляючи на екран із сірчистого цинку, спричиняє спалах світла. Розсіявшись у золотій фользі, α-частинки потрапляли потім на екран, і їх потім реєстрував мікроскоп.
Варто було сподіватися, що пучок α-частинок під час проходження через тонку фольгу злегка розпливеться на незначні кути. Таке розсіювання на малі кути дійсно спостерігалося, але зовсім зненацька виявилося, що приблизно одна α-частинка з 20 000, що падають на золоту фольгу завтовшки всього лише 4·10-5 см, повертається назад, у бік джерела.
Резерфорду знадобилося кілька років, щоб остаточно зрозуміти настільки несподіване розсіювання α-частинок на великі кути. Він дійшов висновку, що позитивний заряд атома зосереджений у дуже малому об’ємі в центрі атома, а не розподілений по всьому атомі, як у моделі Томсона.
3. Планетарна модель атома
Резерфорд зумів визначити розмір атомного ядра. І виявилося, що атомне ядро в десятки тисяч разів менше за власне атом: розмір ядра — близько 10-14 -10-15 м, в той час як розмір атома — близько 10-10 метрів.
Ґрунтуючись на своїх дослідах і розрахунках, Резерфорд запропонував планетарну модель атома:
· атоми будь-якого елемента складаються з позитивно зарядженої частини, що дістала назву ядра;
· до складу ядра входять позитивно заряджені елементарні частинки — протони (пізніше було встановлено, що й нейтральні нейтрони);
· навколо ядра обертаються електрони, що утворюють так звану електронну оболонку.
4. Недоліки планетарної моделі атома
Електрони, рухаючись по «планетарних» орбітах, повинні були б під час випромінювання втрачати енергію руху й у результаті швидко наближатися до ядра. Розрахунки показували, що електрон в атомі Гідрогену має випромінювати всю свою енергію за малу частку секунди. Однак в атомі цього не відбувається.
З іншого боку, якби електрони рухалися навколо ядра подібно до планет навколо Сонця, то кожний атом був би єдиним у своєму роді, тому що, відповідно до класичної механіки, кожний електрон міг би рухатися за кожною з нескінченної кількості орбіт. І тому мала б спостерігатися нескінченна розмаїтість атомів того самого хімічного елемента.
Таким чином, в «атомних масштабах» суперечить досвіду не тільки класична електродинаміка, але й класична механіка — основа основ всієї класичної фізики.
Тема. Теорія атома Бора
Після декількох місяців роботи Бор 1913 року опублікував свою квантову теорію атома. Основу цієї теорії становлять постулати Бора.
1). Атомна система може перебувати тільки в певних (стаціонарних або квантових) станах, кожному з яких відповідає певна енергія Еn. У стаціонарному стані атом не випромінює.
2). Під час переходу атома з одного стаціонарного стану в інший відбувається випущення або поглинання кванта електромагнітної енергії. Енергія кванта дорівнює різниці енергій стаціонарних станів:
Із другого постулату
Бору випливає, що атом може випромінювати
й поглинати світло тільки з певними
значеннями частот, які визначаються
формулою
Це так зване «правило частот».
3. Спектральний аналіз
Явище дисперсії використовують у науці й техніці для визначення складу речовини, тобто проведення спектрального аналізу. В основі цього методу лежить вивчення світла, випромінюваного або поглинутого речовиною.
Ø Спектральним аналізом називають метод вивчення хімічного складу речовини, заснований на дослідженні його спектрів.
Спектроскопом називається прилад, за допомогою якого візуально досліджується спектральний склад світла, яке випускає певне джерело.
Якщо реєстрація спектра відбувається на фотопластинці, то прилад називається спектрографом.
Накалені тверді й рідкі тіла й гази (за великого тиску) випромінюють світло, розкладання якого дає суцільний спектр, у якому спектральні кольори безупинно переходять один в один.
Суцільні спектри однакові для різних речовин, і тому їх не можна використовувати для визначення складу речовини.
Збуджені атоми розріджених газів або пар випромінюють світло, розкладання якого дає лінійчастий спектр, що складається з окремих кольорових ліній. Кожний хімічний елемент має характерний для нього лінійчастий спектр. Атоми таких речовин не взаємодіють один з одним і випромінюють світло тільки певних довжин хвиль.
Ізольовані атоми певного хімічного елемента випромінюють строго визначені довжини хвиль. Це дозволяє за спектральними лініями судити про хімічний склад джерела світла.
Тема. Лазери
Ø Оптичні квантові генератори, випромінювання яких перебуває у видимій та інфрачервоній області спектра, називаються лазерами.
За інтенсивністю випромінювання лазери набагато перевершують всі інші види джерел випромінювання.
3. Трирівневий лазер
Під час роботи лазера часто використовують систему трьох енергетичних рівнів атома, з яких верхній рівень — з часом життя близько 10-7 - 10-8 с , середній рівень — метастабільний, з часом життя близько 10-3 с, а нижній рівень відповідає основному стану атома.
Далі рекомендовано розглянути як приклад принцип дії рубінового лазера.
4. Застосування лазерів
Лазерний промінь можна сфокусувати в крихітну цятку діаметром, порівнянним із довжиною світлової хвилі, й одержати густину енергії, що перевищує вже на сьогоднішній день густину енергії ядерного вибуху. За допомогою лазерного випромінювання вже вдалося досягти найвищих значень температури, тиску, магнітної індукції. Нарешті, лазерний промінь є найбільш містким носієм інформації й у цій ролі — принципово новим засобом її передання й обробляння.
За допомогою лазерів удалося створити тривимірні зображення, які називаються голографічними. Розглядаючи голограму під різними кутами, ви можете бачити зображений на ній предмет різнобічно: наприклад, на голограмі (на відміну від фотографії) можна «зазирнути» за предмети, розташовані на передньому плані.
Принцип дії лазера використовують також під час створення еталонів часу, тобто найбільш точних годинників: похибка ходу таких годинників — не більше однієї секунди за 30000 років.
Тема. Атомне ядро
1. Відкриття протона
1925 року П. Блекетт одержав у камері Вильсона перші фотографії слідів протона, одночасно підтвердивши відкриття штучного перетворення елементів.
Виміри показали, що протон має позитивний заряд, що дорівнює за модулем заряду електрона, а маса протона приблизно у 1800 разів більше маси електрона. Протони зустрічаються в земних умовах у вільному стані як ядра атома Гідрогену.
2. Відкриття нейтрона
1930 року два німецьких фізики, Боті й Беккер повідомили, що їм удалося зафіксувати новий дивний вид ядерного випромінювання, що мало неймовірну проникну здатність. Англійський фізик Д. Чедвик відразу висунув ідею, що нове випромінювання складається з невідомих частинок.
Нейтрони у вільному виді в земних умовах практично не зустрічаються через їхню нестійкість. Нейтрон досить швидко мимовільно розпадається: середній час життя нейтрона близько 15,3 хвилини.
3. Протонно-нейтронна модель ядра
1932 року Д. Д. Іваненко опублікував замітку, у якій висловив припущення, що нейтрон разом із протоном є структурним елементом ядра.
Ядро атома будь-якого хімічного елемента складається із двох видів елементарних частинок — протонів і нейтронів.
Ø Число протонів у ядрі дорівнює атомному номеру елемента Z в періодичній системі елементів і називається зарядовим числом.
Число нейтронів у ядрі позначають N.
Ø Суму числа протонів Z і числа нейтронів N у ядрі називають масовим числом і позначають літерою А:
A = Z + N.
Як одиницю маси в атомній і ядерній фізиці використовують атомну одиницю маси (а. е. м.).
Ø Атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси атома Карбону атомною масою 12:1 а. е. м. = 1,66057·10-27 кг.
Якщо під X маємо на увазі символ хімічного елемента, то ядро будь-якого хімічного елемента в загальному вигляді позначається так: AZX. Наприклад, для Феруму: 5626Fe, для Нітрогену: 147N, для Урану: 23592N і т. ін.
Ø Оскільки масове число А являє собою загальне число протонів і нейтронів у ядрі, то число нейтронів у ядрі можна знайти в такий спосіб:
N = A - Z.
Ø Ізотопи являють собою ядра з тим самим значенням Z, але різними масовими числами А, тобто з різним числом нейтронів N.
Тема. Ядерні сили
Між нуклонами в ядрі діють особливі сили. Ці сили назвали ядерними.
Ядерні сили приблизно в 100 разів перевершують електричні сили.
Стійкість ядер, виділення енергії під час утворення ядра з нуклонів свідчить про те, що ядерні сили аж до деякої відстані є силами притягання. Однак починаючи з деякої відстані між нуклонами, сили притягання замінюються силами відштовхування.
Інша важлива особливість ядерних сил — їх короткодіючий характер. Електромагнітні сили порівняно повільно убувають відповідно до відстані.
Ø Радіоактивність — здатність атомів деяких хімічних елементів до мимовільного випромінювання.
Хімічні елементи, яким притаманна радіоактивність, називаються радіоактивними елементами.
3. Види радіоактивного випромінювання
1899 року Резерфорд, вивчаючи іонізувальну здатність радіоактивного випромінювання, виявив, що воно неоднорідне й складається із двох частин, які він назвав α- і β-променями.
Йому вдалося довести, що α-промені є потоком ядер атомів Гелію. Того ж року А. Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів.
1900 року французький фізик П. Віллард установив, що до складу радіоактивного випромінювання входить і третя складова, яку він назвав γ-променями. Вивчення γ-променів показало, що вони являють собою електромагнітні хвилі, довжина яких менше, ніж у рентгенівських променів. Таким чином, було встановлено, що радіоактивне випромінювання складається з α-, β- і γ-променів.
4. Радіоактивний розпад
Ø Радіоактивність являє собою мимовільне перетворення одних атомних ядер в інші, супроводжуване випущенням різних частинок.
Тема. Радіоактивні перетворення
1. α-розпад
Ø Альфа-розпад — вид радіоактивного розпаду ядра, у результаті якого відбувається випускання альфа-частинки.
Альфа-розпад спостерігається тільки у важких ядер (атомний номер повинен бути більше 82, масове число повинне бути більше 200).
Швидкість вильоту альфа-частинки 14000-20000 км/с. У загальному вигляді формула альфа-розпаду виглядає так:
Альфа-розпад
зменшує масове число на 4, а зарядове
число на 2, тобто переміщає елемент на
дві клітинки до початку періодичної
системи. Наприклад,
2. β-розпад
Ø Бета-розпад — радіоактивний розпад атомного ядра, що супроводжується вилітанням з ядра електрона або позитрона.
Цей процес обумовлений мимовільним перетворенням одного з нуклонів ядра в нуклон іншого роду, а саме: перетворенням або нейтрона в протон, або протона в нейтрон.
Може виникнути питання: як із ядра може вилетіти електрон, якщо воно складається із протонів і нейтронів? Справа в тому, що один з нейтронів ядра, випустивши електрон, перетворюється в протон. При цьому загальне число нуклонів у ядрі залишається тим самим.
Під час β-розпаду:
Ø Бета-розпад не змінює масового числа, а зарядове число збільшує на 1, тобто зміщує елемент на одну клітинку ближче до кінця періодичної системи.
Наприклад,
α-розпад і β-розпад є наслідками двох законів збереження, що виконуються під час радіоактивних перетворень, — збереження електричного заряду й масового числа: сума зарядів (масових чисел) продуктів розпаду дорівнює заряду (масовому числу) вихідного ядра.
Під час γ-випромінювання з ядра вилітає фотон, що не має електричного заряду. Число нуклонів при цьому не змінюється. Отже, під час γ-випромінювання зарядове число ядра не змінюється, тобто ядро залишається ядром того самого хімічного елемента з тим самим масовим числом.
Необхідно відзначити,
що під час β-розпаду, крім електрона,
вилітає ще одна частинка — електронне
антинейтрино 00
e,
властивості якого ми розглянемо
пізніше.
