Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

быть 3 : 2 : 1, но никак не 1 : 1 : 1 ≈ 22 : 21 : 20. Остается

20 21 22

принять, что полоски А, Б и В обусловлены ионами, несущими о д и н и т о т ж е з а р я д, но обладающими р а з л и ч н ы м и м а с с а м и, относящимися как 20 : 21 : 22. Атомная масса неона

Рис. 352. Масс-спектрограмма неона

равна 20,2. Следовательно, среднее значение массы атома неона есть 20,2 а. е. м. Массы же ионов, обусловивших полоски А, Б и В, равны 20, 21 и 22 а. е. м. Мы приходим к выводу, что

элемент неон представляет собой с м е с ь а т о м о в т р е х т и- п о в, о т л и ч а ю щ и х с я д р у г о т д р у г а п о м а с с е 1).

Сравнивая интенсивность почернения линий на масс-спектро- грамме, можно найти относительные количества различных атомов в природном неоне. Количество атомов неона с массами 20, 21 и 22 относятся как 90 : 0,3 : 9,7.

Вычислим среднюю массу атома неона:

20 · 90 + 21 · 0,3 + 22 · 9,7

mср = 90 + 0,3 + 9,7 = 20,2 а. е. м.

Совпадение mср с атомной массой неона, найденной из опыта, подтверждает представление, согласно которому элемент неон является смесью трех типов атомов. Важно отметить, что пропорция атомов с массами 20, 21 и 22 одна и та же в образцах неона различного происхождения (атмосферный неон, неон из горных пород и т. д.). Пропорция эта не изменяется или изменяется в очень малой степени при обычных физических и химических процессах: сжижение, испарение, диффузия и т. д. Это доказывает, что три разновидности неона почти тождественны по своим свойствам.

Атомы одного и того же элемента, о т л и ч а ю щ и е с я т о л ь к о м а с с о й, носят название изотопов. Все изотопы

1) Так как масса электрона очень мала, масса нейтрального атома неона практически равна массе положительного иона неона.

одного и того же элемента тождественны по химическим и очень близки по физическим свойствам 1).

Наличие изотопов является особенностью не только неона. Большинство элементов представляет собой смесь двух или нескольких изотопов. Примеры изотопного состава даны

втабл. 11.

Та б л и ц а 11. Изотопный состав некоторых элемента

Как видно из табл. 11, массы изотопов всех элементов выражаются целым числом атомных единиц масс. Смысл этой важной закономерности мы выясним в § 225. Точные измерения показывают, что правило целочисленности масс изотопов является п р и б л и ж е н н ы м. Массы изотопов обнаруживают, как правило, небольшие отклонения от целочисленности (во вто- ром–четвертом знаках после запятой). В некоторых задачах эти малые отклонения от целочисленности играют основную роль (см., например, § 226).

Для многих целей можно, однако, пользоваться значением массы, округленным до целого числа атомных единиц массы. М а с с а и з о т о п а в а. е. м. (атомная масса), о к р у г-

1) В гл. XXIII, XXIV мы познакомимся с некоторыми физическими явлениями, в отношении которых свойства изотопов одного и того же элемента могут сильно отличаться.

Выше мы отметили постоянство изотопного состава неона и почти полное совпадение большинства свойств его изотопов. Эти положения справедливы также и для всех остальных элементов, обладающих изотопами.

Для обозначения изотопов химический символ соответствующего элемента снабжают знаком, указывающим м а с с о в о е ч и с л о изотопа. Так, например, 17O — изотоп кислорода с массовым числом 17, 37Cl — изотоп хлора с массовым числом 37

и т. д.

§ 202. Разделение изотопов. Тяжелая вода. Все изотопы данного элемента вступают в одни и те же химические реакции и образуют химические соединения, почти неотличимые по растворимости, летучести и подобным свойствам, используемым в химии для разделения элементов. Поэтому обычные химические методы

Рис. 353. Фотография одной из первых установок для электромагнитного разделения изотопов (производительность — несколько миллиграммов в день): 1 — ионный источник, 2 — электромагнит, 3 — вакуумная камера, в которой ионы совершают четверть оборота по окружности; справа внизу поперечное сечение электромагнита

центрального пятна наружу, мы установим, что число рассеянных α-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния.

В описанном опыте замечательным является следующее. Диаметр атома золота равен 3 · 10−10 м. Золотая фольга толщиной 1 мкм содержит 10−6 : (3 · 10−10) = 3300 атомных слоев. В твердом теле атомы расположены почти вплотную (§ 195). Поэтому при прохождении через фольгу α-частица должна столкнуться примерно с 3000 атомов золота. Тем не менее, как мы видели, подавляющая доля α-частиц проходит фольгу и не испытывает при этом заметного рассеяния. На основании этих опытов мы приходим к заключению, что атом золота ни в коем случае

не л ь з я считать непроницаемым.

Сдругой стороны, важно отметить, что некоторые α-частицы, проходя через фольгу, рассеиваются на б о л ь ш и е у г л ы. Чтобы отклонить обладающую колоссальной скоростью α-частицу на большой угол, нужны громадные силы. Следовательно, внутри атома на α-частицу могут действовать очень большие силы, но в поле этих сил попадает лишь малая доля пролетающих частиц.

Чтобы объяснить эти опыты, английский физик Эрнест Ре-

зерфорд (1871–1937) предложил (в 1911 г.) я д е р н у ю м о- д е л ь с т р о е н и я а т о м а. Согласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть объема атома. Положительное ядро окружено отрицательными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объем атома, но масса ее ввиду легкости электрона незначительна.

Рассмотрим с точки зрения такой ядерной модели процесс прохождения α-частицы через атом. На α-частицу, проникающую в атом, действуют электрические силы со стороны ядра и электронов 1). Масса электрона почти в 8000 раз меньше массы α-частицы. Поэтому взаимодействие α-частицы с электроном протекает аналогично упругому соударению быстро движущегося тяжелого шара с легким. При таком соударении направление движения легкого шара может резко измениться, тогда как скорость тяжелого шара изменяется незначительно (рис. 357). Таким образом, взаимодействие с электронами не приводит к заметному отклонению α-частицы. Что касается взаимодействия α-частицы с ядром, то оно может заметно изменить движение

1) Между частицами внутри атома действуют также и силы тяготения, но они настолько малы по сравнению с электрическими силами, что их можно в данном случае не учитывать (см. упражнение 18 в конце главы).

что закон этот соблюдается даже при очень значительном сближении центров взаимодействующих ядра и α-частицы, показывает, что размеры ядер должны быть очень малы. Теоретический расчет и сравнение его с данными опытов позволяют сделать количественные заключения о размерах ядра и его заряде.

Оказывается, что д и а м е т р ы я д е р разных атомов несколько различны (диаметр ядра тем больше, чем больше масса атома) и составляют около 10−12 см. Размер ядра, таким образом, примерно в 10 000 раз м е н ь ш е р а з м е р а а т о м а. Вообразим на минуту, что мы проникли глазом внутрь плотной среды — жидкости или твердого тела. Мы увидим «туман» легких электронов, заполняющий весь объем вещества. В этом «тумане» редко-редко расположены крошечные, но тяжелые атомные ядра, отстоящие друг от друга на расстояниях, в десять тысяч раз превышающих размеры самих ядер.

Заряд ядра равен +Ze, где e — элементарный заряд, а Z — порядковый номер элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Так как атом в целом нейтрален, то число электронов

ватоме равно Z. Таким образом, порядковый номер элемента

втаблице Менделеева имеет глубокий физический смысл: порядковый номер элемента есть заряд атомного ядра в элементарных единицах заряда и в то же время число электронов

ватоме.

§ 204. Энергетические уровни атомов. Опыты по рассеянию

α-частиц обнаружили существование в атомах тяжелого положительного ядра и электронной оболочки. Дальнейшие сведения о свойствах атомов дало изучение таких атомных процессов, которые сопровождаются изменением в н у т р е н н е й э н е р- г и и атома. Сюда относятся столкновения атомов с электронами, испускание и поглощение света атомами и др. Исследуя эти процессы, удалось установить своеобразные и очень важные закономерности, которым подчиняется внутренняя энергия атомов.

Столкновения электронов с атомами. Наиболее простые условия для изучения передачи энергии от электронов к ато-

н е б о л ь ш о е количество одноатомных паров какого-нибудь вещества, например ртути 1). Электроны, испускаемые накаленным

1) Опыты можно вести не только с атомами, но и с молекулами. Однако при этом явления сильно усложняются. Поэтому мы ограничимся случаем одноатомных веществ.