|
Херсонський державний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фізики |
КВАНТОВА ФІЗИКА Лекція 5.1. Ядро. Постулати Бора |
|
|
|
|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.1.
ЯДРО. ПОСТУЛАТИ БОРА-
Досліди Резерфорда, ядерна модель атома
Основи
сучасного уявлення про побудову атому
були закладені Ернестом Резерфордом.
З 1899 році було відомо, що уран випромінює
не лише швидкі електрони (так зване
-
випромінювання), але ще й інше випромінювання
із доволі слабкою проникливою здібністю
(
-промені).
Десять років напруженої праці дозволили
Резерфорду встановити, що насправді з
ядер урану вилітають не промені, а потік
-частинок,
які мали позитивний заряд
та являли собою ядра атомів гелію.
Резерфорд
та його інтернаціональна лабораторія
використали потоки
-
частинок для вивчення побудови атому.
Його експериментальний метод полягав
у підрахунках
-
частинок розсіяних тонкою металевою
фольгою під різними кутами. Кількість
розсіяних частинок визначалася в темряві
по спалахам світла, які давали розсіяні
частинки, потрапляючи на екран з
сірчистого цинку (
виконував роль люмінофору). Завдяки
порівняно великій масі
-
частинок (які у понад 7000 разів масивніші
за електрони) вони не відхиляються від
власної прямолінійної траєкторії при
зіткненнях з легкими електронами атомів.
Помітне відхилення траєкторії
-частинки
від прямолінійної можливе лише у тому
випадку, коли вона проходить достатньо
близько від масивного позитивно
зарядженої частинки . Якщо частинки
розсіюються на золотій фользі товщиною
у
м,
то на такій товщині металевої фольги
вкладається ланцюжок з приблизно 400
атомів золота.
Досліди
Резерфорда показали, що
-
частинки здебільше розсіювалися на
малі кути (
).
Тобто переважна більшість з них проходила
крізь фольгу майже як крізь пустий
простір. Все ж одна з приблизно 20.000
частинок , навпаки, розсіювалася на
значні кути, більші за
.
Це дозволило Резерфорду вже у 1913 році
дійти висновку про те, що в центрі атому
розташовано масивне позитивно заряджене
ядро, розміри котрого надзвичайно малі
порівняно з характерними розмірами
власне атому. Саме тому більшість
-
частинок оминають ядра атомів на
порівняно великих відстанях від них і
розсіюються незначно. Характерні розміри
атомних ядер складають приблизно ~
м., тоді як характерні розміри електронних
оболонок в атомі приблизно ~
м,
на п’ять порядків більші.
Наочне уявлення про співвідношення розмірів ядра та атомних оболонок дає таке порівняння: якби ми збільшили ядро атому до розмірів макового зернятка (10-3 м), то атомна оболонка збільшилася б до розмірів бігової доріжки стадіону (102 м). Уявляючи собі макове зернятко в центрі стадіону можна зрозуміти співвідношення розмірів атомного ядра та атомних електронних оболонок.
Резерфорд на підставі описаних вище експериментів запропонував так звану планетарну модель атому. В цій моделі атомні електрони рухалися навколо ядра по еліптичним траєкторіям, причому в одному з фокусів такого еліпсу знаходиться порівняно невелике за розмірами, але масивне атомне ядро. Затим що сила Кулона, себто сила притягання поміж зарядами ядра та електрону, як і сила всесвітнього тяжіння поміж планетами та Сонцем, обернено пропорційні квадрату відстані поміж ними, особливості руху планет в Сонячній системі та електронів в атомі, згідно з Резерфордом, є подібними.
Найбільшим недоліком планетарної моделі Резерфорда була її суперечність (контроверза) основному закону електродинаміки. Заряджені електрони, котрі рухаються по замкненим еліптичним орбітам навколо ядер, —отже, рухаються з прискоренням,—повинні безперервно випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Тому атом Резерфорда був принципово нестабільним: витрачаючи весь запас власної енергії на випромінювання, електрон повинен був рано, чи пізно (по розрахунках випливало, що за дуже короткий час, порядку 10-11 с), падати на ядро.
Саме нестабільність планетарної моделі атому Резерфорда і стала причиною розробки нових, квантових уявлень у фізиці мікросвіту.