Фізика атомів і молекул

VIII. Фізика атомів і молекул §113. Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома

Перша спроба створення моделі атома на основі нагромаджених експериментальних даних належить Дж. Томсону (1903р.). Згідно з цією моделлю атом є рів­номірно зарядженою кулею радіусом~, всередині якої біля своїх положень рівноваги коливаються електрони; сумарний від’ємний заряд електронів до­рівнює додатному заряду кулі. Модель Томсона виявилась неправильною.

Велику роль у розвитку уявлень про будову атома відіграли досліди Е. Резер­форда із вивчення розсіяння- частинок в речовині.

-частинки утворюються під час природного радіоактивного розпаду деяких важких елементів і є позитивно за­рядженими частинками з зарядом 2еі масою, яка приблизно в чотири рази більша за масу атома водню.

Спрощена схема досліду Резерфорда зображена на рис. 281.

Джерело - частинок поміщене всередині свинцевої порожнини з вузьким каналом. Усі-частинки, крім тих, що рухаються всередині вузького каналу, поглинаються свинцем. Потік-частинок, пройшовши через вузьку діафрагмуД, потрапляє на тонку золоту фольгуФзавтовшки, що складається з де­кількох атомних шарів. При проходженні через фольгу-частинки відхиляються на різні кутиі потрапляють на екранЕ, який можна поміщати в різних положеннях відносно фольги. Екран покритий флюоресцентною речовиною. За допомогою мікроскопаМможна спостерігати міс­ця потрапляння-частинок за свіченням екрану. Поведінку-частинок після проходження через фольгу вивчали в камері Вільсона.

Резерфорд з’ясував, що потік -частинок, пройшовши крізь фольгу, майже не відхиляється від прямолінійного нап­рямку і лише деякі частинки змінють нап­рямок руху, відхиляючись на дуже великі кути, близько135 – 150°(рис. 282).

На підставі досліду Резерфорд зробив такі висновки.

1. Оскільки переважна більшість -части­нок проходить через атоми, не змінюючи свого напрямку, то атом прозорий і частинки, на яких відбувається розсіювання, займають об’єм значно менший за об’єм атома.

2. Тому що при розсіюванні спостеріга­ються кути відхилення -частинок близько150°, то взаємодіють одноіменно заряджені частинки, тобто роз­сіювання відбувається на позитивно заряджених частинках.

3. Після проходження -частинкою фоль­ги в камері Вільсона спостерігалися треки однакової довжини, які належать лише-частинці. Отже, маса частинки, на якій відбувається розсіювання, знач­но більша від маси-частинки і через це вона не отримує прискорення.

4. Резерфорд приблизно розрахував розмір частинки, на якій відбувається розсіювання. Розглянемо центральний удар -частинки, який відповідає куту розсіяння. Із закону збереження енергії випливає, що в момент найбільшого зближення-частинки з невідомою частинкою її кінетична енергіяцілком перейде в потенціальну енергію їх взаємодії:

.

Оцінимо величину Rдля золота. Якщо припустити, що швидкість-частинки, її маса,заряд електрона, то

.

В той же час, радіус атома .

Таким чином, частинка на якій відбувається розсіювання -частинок займає в атомі об’єм, який значно менший від об’єму атома.

Резерфорд теоретично розглянув задачу про розсіювання -частинок у кулонівському електричному полі частинки, що має зарядQ. Кут відхилення- частиноктим більший, чим менша віддальpвід ядра до початкового напрямку руху-частинки (рис. 282). Віддальpназивається „параметром удару”.

Закони динаміки дозволяють розрахувати залежність кута відхилення від параметра ударур, а методами теорії ймовірностей можна знайти ймовірність пролітання-частинки на даній відстанірвід частинки і тим самим ймовірність її відхилення на кут. Розрахунок показує, що із загального числа розсіянихN-частинок в тілесному куті, що міститься між двома конічними поверхнями, твірні які утворюють кутиіз початковим нап­рямком руху-частинок, розсіюється така їх кількість:

,

де n – кількість-частинок, які налітають на частинку через одиницю площі поперечного перерізу пучка за одиницю часу.

Для певної розсіюючої речовини при певній енергії -частинок і заданій густині їх потоку добутокповинен бути сталим, що було експерименталь­но підтверджено в дослідах Гейгера і Марсдена.

Наведена формула дозволяє за виміряним числом частинок, які розсіяні під певним кутом , визначити величину позитивного заряду, тому, що всі інші величини, що входять у цю формулу, доступ­ні вимірюванню. Оскільки атоми в нор­мальному стані нейтральні, то позитивний зарядповинен бути цілим кратним від значення заряду електрона:

,

де Z– ціле число.

На основі вимірювань Резерфорда виникла гіпотеза, що величина Zдорівнює порядковому номеру елементу в таблиці Менделєєва. Пізніше ця гіпотеза підтвердилася.

Знаючи заряд частинки , можна знайти, який „параметр удару” відповідає різним кутам удару.

На підставі результатів дослідів з розсіянням -частинок тонкими фольгами Резерфорд запропонувавядерну модель атома.

Згідно з цією моделлю в центрі атома знаходиться ядро, в якому зосереджено позитивний заряд Ze і практично вся маса атома. Лінійні розміри ядра ~.

Навколо ядра в області з лінійними розмірами ~по замкнених орбітах рухаютьсяZелектронів, утворюючи електронну оболонку атома.

Ядерна модель Резерфорда зовні дуже нагадує Сонячну систему: у центрі – ядро, навколо нього по орбітах рухаються електрони. Тому цю модель називають планетарною. Орбіти електронів в атомі стаціонарні, атому властива виняткова стійкість.

Стійкість атома не можна погодити з класичним поясненням ядерної моделі. Електрон по коловій орбіті рухається з доцентровим прискоренням , а згідно із законами електродинаміки він повинен випромінювати електромагнітні хвилі і внаслідок цього неперервно втрачати енер­гію. За класичними уявленнями це випромінювання повинно відбуватися безперервно. Тому електрон не зможе триматись на коловій орбіті – він повинен по спіралі наближатись до ядра, і частота його обертання навколо ядра повинна безперервно змінюватись. Електромагнітне випромінювання атома тому повинно мати неперер­вний, а не лінійчастий спектр.

Отже, застосування класичної електродинаміки до ядерної моделі атома привело до суперечності з експериментальними фактами.