§ 95. Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Підведемо тепер деякі підсумки наших знань про при­роду світла. Усі розглянуті в цьому розділі явища служать переконливим доказом справедливості квантових власти­востей світла. Однак розглянуті в попередньому розділі явища інтерференції, дифракції і поляризації світла пере­конують в існуванні хвильових властивостей випроміню­вання. Виникає запитання: що таке світло? Випромінювані джерелом електромагнітні хвилі чи потік фотонів, що їх випускає джерело світла і які рухаються в просторі з швидкістю світла у вакуумі? На перший погляд здає­ться, що ці дві точки зору на природу світла — хвильова і квантова — взаємно виключають одна одну. Деякі вла­стивості хвиль і частинок справді протилежні. Наприклад, фотони під час руху перебувають у певних точках про­стору, а про хвилі цього сказати не можна. Хвилю можна

288

розділити на частини і такий поділ нічим не обмежений, _а фотоя ділити не можна.

Розвиток фізики показав, що хвильові і квантові вла­стивості світла не можна протиставляти. Властивості неперервності, характерні для електромагнітного поля світ­лової хвилі, не виключають властивостей перервності (дискретності), характерних для квантів світла — фото­нів. Світло одночасно має і властивості електромагнітних хвиль і властивості фотонів. Тому питання, яке часто став­лять: що є світло — хвиля чи частинка, позбавлене сенсу. Світло — не хвиля і не частинка в звичайному розумінні. Світло має електромагнітну природу і йому притаманні двоїсті квантово-хвильові властивості Двоїстість (дуалізм) властивостей світла знаходить свій вираз у формулах, які визначають характеристики фотонів. Квантові характе­ристики фотонів — енергія, імпульс і маса — зв'язані 8 хвильовою характеристикою світла — його частотою v:

У випромінюванні спостерігається важлива закономір­ність. При малих частотах більшою мірою проявляються хвильові властивості (наприклад, радіовипромінювання), а при великих частотах — квантові (наприклад, рентге­нівське випромінювання). У видимому світлі хвильові і квантові властивості проявляються однаковою мірою.

Пізніше було установлено, що при певних умовах час­тинки речовини (електрон, протон, атом тощо) також мають хвильові властивості, тобто виявилося, що речовина, як і випромінювання, має квантово-хвильові властивості.

? 1. Як ви розумієте двоїсту (корпускулярно-хвильову) прароду світ­ла? 2. В яких явищах (процесах) проявляються хвильові властивості світла, а в яких — корпускулярні? Які явища можна пояснити як хви­льовою, так і квантовою теоріями?

КОРОТКІ ПІДСУМКИ Й ВИСНОВКИ

1. Під час поглинання світла речовиною може спосте­рігатися вибивання електронів з речовини — фотоелект­ричний ефект. Еспериментальио установлені закони фото­ефекту: 1) сила фотоструму насичення прямо пропор­ційна світловому потоку, який падав на фотокатод; 2) максимальна швидкість (або кінетична енергія) ви­битих електронів зовсім не залежить від освітленості

289

поверхні, а визначається лише частотою (довжиною хвилі) цього випромінювання; 3) червона межа фотоефекту визначається лише матеріалом освітлюваного електрода і не залежить від його освітленості.

2. Закони фотоефекту пояснюються квантовою теорією світла, згідно з якою світло є потоком фотонів. В явищі фотоефекту кожен фотон може поглинутися лише одним електроном. Енергія фотона частково витрачається на виконання роботи виходу А електрона з металу, а частково

перетворюється в його кінетичну енергію: Av= А -\—^-і

3. Фотон має масу т = -£ й імпульс р=—. Фотон

не має маси спокою, він існує лише під час руху з швид­кістю світла у вакуумі.

4. Світло, падаючи на тіло, тисне на нього. Існування тиску світла можна пояснити як з хвильової, так і з кван­ тової точок зору.

5. Поглинання фотонів молекулами речовини може привести до розпаду цих молекул, тобто до хімічних пере­ творень речовини. Фотохімічні перетворення лежать в основі фотографії, фотосинтезу (перетворення неорганіч­ них речовин під дією світла в органічні), зору людини тощо.

6. Електромагнітне випромінювання має властивості неперервності (хвилі) і дискретності (фотони). Хвильові властивості світла проявляються в закономірностях його поширення, інтерференції, дифракції, поляризації, а кор­ пускулярні — у процесах взаємодії світла з речовиною. Хвильові властивості електромагнітного випромінювання яскравіше проявляються при малих частотах і менш яскраво при високих, квантові — навпаки.

Розділ VII. ФІЗИКА АТОМА § 96. Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома

Всі електричні явища — електризація тіл при терті, електричний струм в металах і напівпровідниках, у ва­куумі, в газах і електролітах та інші — переконливо свід­чать про те, що електрично заряджені частинки входять до складу різних речовин, а значить і до складу атомів. На початку XX століття було експериментально встанов­лено існування частинки з елементарним електричним зарядом — електрона, який є складовою частиною

290

атома. З одним із багатьох дослідів щодо встановлення існування елементарного електричного заряду — дослідом Міллікена — ви ознайомилися в 10-му класі.

Важливу роль у розумінні природи атома зіграв від­критий Д. І. Менделєєвим періодичний закон, який свід­чив про складну будову атомів елементів: властивості хімічних елементів перебувають в періодичній залежності від заряду їх атомних ядер.

Досліджуючи оптичні спектри хімічних елементів, вчені установили, що атомам кожного хімічного елемента властиве власне випромінювання, а це означає, що атоми кожного виду мають власну внутрішню структуру.

Важливу роль у з'ясуванні будови атома зіграли до­сліди Е. Резерфорда і його співробітників щодо вивчення проходження альфа-частинок через тонкі плівки золота та інших металів. З курсу хімії ви знаєте, що альфа-час­тинки виникають під час радіоактивного розпаду атомів (більш детально радіоактивний розпад вивчатиметься пізніше). Ці частинки мають додатний електричний заряд, за абсолютним значенням удвічі більший від заряду елек­трона. Маса альфа-частинки приблизно в 7350 раз більша за масу електрона. Падаючи на флюоресціюючий екран, кожна альфа-частинка викликає спалах, що дає можли­вість рахувати альфа-частинки і вивчати їх розподіл. В до­слідах Резерфорда альфа-частинки з однаковою швидкістю спрямовувалися приблизно паралельним пучком на флюо­ресціюючий екран крізь тоненьку металеву фольгу і під­раховувалася кількість частинок, розсіяних під різними

кутами.

Схематично дослід Резерфорда показано на малюн­ку 204. Всередині виїмки у шматку свинцю поміщалась

радіоактивна речовина Р — джерело альфа-частинок. Внаслідок сильного гальмування в свинці альфа-частинки могли виходити назовні лише через вузький отвір. На шляху одержаного такий способом вузького майже паралель­ного пучка альфа-частинок розміщалася тонка металева (золота, платинова, мідна, срібна) фольга Ф, товщина якої становила приблизно 0,0004 см — десятки тисяч атомних шарів. Під час проходження крізь фольгу альфа-частин­ки відхилялися від початкового напряму руху на різні кути ф — розсіювалися. Розсіяні альфа-частинки потрап­ляли на маленький екран Е, покритий флюоресцдюючою речовиною (сульфідом цинку).

Зіткнення альфа-частинки з екраном супроводжува­лось спалахом світла, який спостерігався у довгофокус-ний мікроскоп М. Мікроскоп можна було обертати навколо осі, яка проходила через центр розсіюючої фольги, щоб визначати кількість частинок, розсіяних під різними кута­ми до напряму первинного пучка. Весь прилад поміщався в кожух, з якого було відкачане повітря, щоб усунути гальмування альфа-частинок.

Досліди показали, що під час проходження через плів­ку товщиною в кілька тисяч міжатомних відстаней дуже мало частинок різко змінювали напрям свого руху. Пере­важна більшість частинок майже не відхилялася від по­чаткового напряму польоту. Наприклад, при проходженні пучка альфа-частинок з швидкістю 1,8-10⁷ м/с через шар золота товщиною 6-10~⁷м в середньому одна частинка з 20 000 відхилялась (розсіювалася) на кут порядку 90°. Деякі частинки (їх було надзвичайно мало) відхилялися майже на 180°, тобто іноді альфа-частинки навіть відби­валися від тонкої металевої фольги.

З'ясуємо, які причини змушували альфа-частинки змінювати напрям польоту. Альфа-частинка мав масу й заряд, тому на неї можуть діяти як сили тяжіння, так і кулонівські сили. Однак з електростатики ви знаєте, що кулонівські сили взаємодії заряджених частинок значно переважають гравітаційні. Наприклад, кулонівська сила взаємодії альфа-частинки з протоном чи електроном в 10³³ раз перевищує силу тяжіння між альфа-частинкою і масивним атомом свинцю. Це означає, що у взаємодії альфа-частинок з атомами фольги гравітаційні сили віді­грають мізерну роль і ними можна нехтувати. Отже, від­хилення альфа-частинки від початкового напряму польоту обумовлюється дією електрично заряджених частинок, які перебувають всередині атомів.

292

Які ж це частинки? Як вони розміщені в атомах? На ці запитання і мали відповісти досліди Резерфорда. Очезид-во, що заряджена частинка, яка відхиляє альфа-частинку на великий кут, не може бути електроном. Адже маса електрона т„ приблизно в 7350 раз менша за масу альфа-частинки. Згідно із законами збереження імпульсу й енер­гії при співударі частинка, яка рухалася з швидкістю и, не може надати нерухомій частинці швидкість більшу за 2v. Отже, при співударі з електроном імпульс альфа-частинки змінюється на значення, яке не перевищує

2тм жтгї^тПьО. Ця зміна мізерно мала, тому можна

вважати, що в результаті зіткнення альфа-частинки з електроном її рух практично не зміниться.

Оскільки зіткнення з електронами не змінюють напрям руху альфа-частинок, то їх відхилення на великі кути обумовлене взаємодією не з електронами, а з позитивно зарядженими частинками.

З дослідів Резерфорда випливало, що хоч атоми в твер­дому тілі майже щільно прилягають один до одного, переважна більшість альфа-частинок пронизує, майже не відхиляючись, кілька тисяч атомів. Звідси можна зробити висновок, що атоми майже порожні і лише в центрі їх є позитивно заряджене ядро розміром порядку 10 ^|5 м. З до­слідів випливало також, що в ядрі зосереджена майже вся маса атома. Справді, відомо, що куля при зіткненні від­літає назад тільки в тому випадку, коли її маса мала порівняно з масою другої кулі. Отже, маса позитивно зарядженого ядра, з яким співударяється альфа-частинка при відхиленні на кут, близький до 180°, значно переви­щує масу самої альфа-частинки.

Поряд з установленням ядерної структури атома дослі­ди Резерфорда свідчили і про високу міцність атомних ядер, які не руйнувалися навіть при лобовому зіткненні з альфа-частинками, що налітали на ядра з великою швидкістю.

На основі цих досліджень Резерфорд запропонував ядерну ♦планетарну» модель атома. Атом складається з позитивно зарядженого масивного ядра, розміри якого порядку 10~'⁵м, навколо якого рухаються електрони, утворюючи так звану електронну оболонку атома. Заряд ядра дорівнює за значенням сумарному зарядові всіх електронів. У ядрі зосереджена майже вся маса атома (99, 95 %).

293

Запропонована Резерфордом планетарна модель атома добре пояснювала результати дослідів щодо розсіювання альфа-частинок речовиною. Вона давала можливість експериментально визначити заряд ядра. Було доведено, що заряд ядра дорівнює порядковому номеру елемента в системі Менделєєва. Однак при всій своїй переконли­вості планетарна модель атома Резерфорда зустрілася з рядом принципових труднощів під час пояснення будови атома, які в основному зводяться до таких.

Згідно теорії Максвелла будь-яка електрично заря­джена частинка, рухаючись з прискоренням, повинна безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Отже, мають випромінювати хвилі і електрони під час руху в атомах. Однак у нормальному стані атоми не випромі­нюють хвиль. До того ж внаслідок випромінювання елек­тромагнітних хвиль енергія електронів повинна безпе­рервно зменшуватися, внаслідок чого електрони мають наближатися до ядра. З наближенням до ядра період обер­тання електронів, а значить, і частота випромінюваного світла повинні безперервно змінюватися. Таким чином, спектр випромінювання резерфордівського атома має бути суцільним, а ми знаємо, що всякий реальний атом характе­ризується лінійчастим спектром.

Далі, внаслідок безперервних втрат енергії, електрони мають впасти на ядро і атом як планетарна система має припинити своє існування. Розрахунок показує, що цей процес має тривати близько 10~⁸ секунд. Проте відомо, що атоми елементів існують тривалий час, який може вимірюватися багатьма мільярдами років.

Вихід з цього тупика було знайдено в 1913 р. датським фізиком Нільсом Бором. В основі розробленої ним теорії будови атома лежала ідея зв'язати в єдине ціле емпіричні закономірності лінійчастих спектрів, ядерну модель атома Резерфорда і квантовий характер випромінювання й по­глинання світла. Однак спочатку ознайомимося з законо­мірностями в атомних спектрах.

1 1. Які явища свідчать про складну будову атома? 2. У чому суть дослідів Е. Резерфорда щодо розсіювання альфа-частинок і який висно­вок можна зробити з них? 3. Яку модель будови атома запропонував Е. Резерфорд? 4. З якими труднощами зустрілася модель атома Резер­форда під час пояснення будови атомів?