2. Відкриття електрона. Класичні уявлення про будову атома

У 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон, досліджуючи відхилення магнітним полем катодних променів, довів, що вони є потоком негативно заряджених частинок, маса яких приблизно в 1840 разів менша за масу атома водню. Так було відкрито електрон. Учений також визначив заряд електрона (який було уточнено американським фізиком Робертом Мілікеном у 1909—1913 рр.) Дж. Дж. Томсон розробив модель будови атома, образно названу пудингом (чи кексом) із родзинками, в якій позитивний заряд атома вважався рівномірно розподіленим по всьому атому. Пізніше ця модель була визнана помилковою. 

Історія розвитку уявлень про будову атомного ядра.  Усі тіла навколишньої живої й неживої природи складаються з дрібних частинок — атомів: Першими, хто висловив припущення про це, вважаються давньогрецькі філософи Левкіпп і Демокріт. Саме вони назвали атомом дрібну неподільну частинку, що утворює речовину. Вони вважали, що речовини утворюються в результаті зіткнення атомів і появи зв'язків між ними. Ні природу, ні механізм утворення цих зв'язків вони не уточнювали, зате зробили припущення про форму атомів. Вони вважали, що атоми мають форму правильних багатогранників: куба («атоми землі»), тетраедра («атоми вогню»), октаедра («атоми повітря»), ікосаедра («атоми води»).  Більше двадцяти століть знадобилося вченим для того, щоб експериментально підтвердити атомістичну теорію будови речовини. Остаточно ця ідея утвердилася в науці в другій половині дев'ятнадцятого століття. До початку двадцятого століття фізики вже мали досить інформації про масу й розміри атома. На той час стало зрозумілим, що атоми не є дрібними частинками в складі речовини. Вони мають певну внутрішню структуру, розгадка якої дозволила б пояснити періодичність властивостей хімічних елементів. Однак тільки експерименти англійського фізика Ернеста Резерфорда стали основою для створення сучасної протонно-нейтронної моделі атома. ІІІ. Пояснення нового матеріалу.  Механічні моделі будови атома  Вивчення атомного ядра невіддільне від вивчення елементарних частинок. Справа в тому, що в ядрах атомів частинок настільки мало, що властивості кожної з них не усереднюються, а відіграють важливу роль у формуванні властивостей ядра. Тому після відкриття електрона в науці виникла безліч теорій про будову атома.  Японський фізик Хантаро Нагаока представив будову атома аналогічною до будови Сонячної системи: у центрі атома розташовується його позитивно заряджена частинка (вона порівнювалася із Сонцем), навколо якої по встановлених кільцеподібних орбітах, ніби планети, рухаються електрони. Зміщення електронів зі своїх орбіт призводить до збудження електромагнітних хвиль.  Цей погляд на будову атома зберігався до початку двадцятого століття. Але таку модель було важко поєднати з електродинамічними уявленнями, і вона була відкинута, поступившись місцем моделі Томсона.  Англійський фізик Джозеф Джон Томсон запропонував модель атома у вигляді позитивно зарядженої по всьому об'єму сфери діаметром 10~10 м, усередину якої, ніби родзинки в пудинг, вкраплені електрони. Позитивний заряд сфери компенсується сумарним негативним зарядом електронів. Випромінювання світла відбувається в результаті коливання атомів відносно центру сфери.  Томсон розташував електрон в атомі Гідрогену в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони формували в стійкі конфігурації, параметри яких можна було розрахувати. Томсон вважав, що саме конфігурація електронів визначає хімічні властивості атомів. Пізніше ідея Томсона розділити електрони в атомі на групи призвела до появи теорії атомних орбіталей. Однак пізніші відкриття змусили відмовитися від теорії Томсона на користь планетарної моделі атома. Не відразу вчені дійшли правильного розуміння будови атома. Після перших експериментів можна було робити висновки про складну будову атома і наявність в його структурі електричних зарядів. Ці результати отримано М. Фарадеєм 1833 року під час вивчення законів електролізу. 1897 року Дж. Томсон у результаті експериментів з вивчення електричного розряду в розріджених газах явища фотоефекту відкрив електрон. Він виміряв важливу характеристику цієї частинки - питомий заряд q/m=1,76·10  Кл/кг. Американський фізик Міллікен 1909 року дуже точно виміряв заряд електрона. Він виявився однаковим у всіх електронів і дорівнює: e = – 1,6·10  Кл. Маса електрона є приблизно в 2000 разів меншою за масу одного з найлегших атомів - атома водню - і дорівнює m  = 9,1·10  кг. Виходячи з цих даних, Томсон запропонував модель атома, згідно якою атом є зарядженою кулею радіусом R = 10 см, всередині якої знаходяться електрони. Більш складні атоми в додатно зарядженій кулі мають декілька електронів. Таким чином, атом подібний пиріжка, роль родзинок при цьому відіграють електрони. Однак модель атома Томсона виявилась повністю відмінною від моделі, яку запропонував Резерфорд у результаті своїх досліджень. Резерфорд 1906 року запропонував модель, згідно з якою будова атома дуже схожа на будову сонячної системи. Щоб перевірити правильність своєї теорії, він провів низку дослідів, які називають дослідами Резерфорда (рис. 7.7). Він зондував атоми золота швидкорухомими ядрами гелію (a частинками). Навпроти отвору в свинцевому контейнері на екрані, покритому ZnSO , можна було помітити світлову пляму. Резерфорд помістив на шляху рухомих ядер тонку золоту пластинку (фольгу), і помітив, що лише незначна частина ядер відхиляється на значні кути і дуже мало ядер відбивались назад. Узагальнивши результати дослідів, Резерфорд зробив висновки:

• в цілому атом порожній. Майже вся його маса сконцентрована в ядрі діаметром d ~ 10  м. Ядро становить 99.95% від маси атома.

• ядро несе в собі заряд q+, величина якого за модулем дорівнює заряду електрона, помноженому на порядковий номер цього елемента в таблиці Менделєєва.

• оскільки атом електрично нейтральний, то позитивний заряд ядра компенсує заряд електронів, які мають рухатись навколо ядра, подібно до планет навколо Сонця. Кількість електронів дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва. Таку модель атома Резерфорд назвав планетарною моделлю атома.

Планетарна модель атома багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі: ядро заряджене позитивно, а електрони - негативно. Між ними існує кулонівська сила притягання. Для того, щоб електрони не впали на ядро, вони мусять рухатись навколо нього з доцентровим прискоренням. З теорії Максвелла випливає, що якщо заряд рухається з прискоренням, то при цьому має випромінюватись електромагнітна хвиля, а розрахунки показують, що за час  t = 10  c електрон, рухаючись по спіралі мусить припинити свій рух. Дослідні ж дані показували, що за нормальних умов атом не випромінює енергію і існує як завгодно довго. Вихід із ситуації 1913 року запропонував датський фізик Нільс Бор. Він створив теорію атома на основі таких постулатів:

1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія En. У стаціонарному стані атом енергію не випромінює.

2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких h визначають за формулою  , де k і n – номери його стаціонарних станів. При   відбувається випромінювання фотона, а при   - його поглинання.

3. СКЛАД АТОМНИХ ЯДЕР

Досліди Е. Резерфорда, які утвердили ядерну модель атома, показали, що практично вся маса атома зосереджена в його ядрі, який має позитивний заряд. Подальші його дослідження взаємодії альфа-частинок з атомами Нітрогену увінчалися відкриттям протона — другої елементарної частинки, відкритої після електрона.

Вивчення властивостей протона показало, що він має позитивний заряд, який чисельно дорівнює заряду електрона е = 1,602 • 10^-19 Кл; його маса значно більша: m_р = 1,6726485 • 10^-27 кг. Оскільки в ядерній фізиці прийнято користуватися атомною одиницею маси (а.о.м.) та її енергетичним еквівалентом — електрон-вольтом (еВ), маса спокою протона дорівнює m_p = 1,007276470 а. о. м., що відповідає 938,2796 МеВ.

Протон (від грец. рг>tos — перший) — елементарна частинка, що є ядром атома Гідрогену; має позитивний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона

Відкриття на початку XX ст. ізотопів засвідчило, що їхні атомні маси кратні масі ядра атома Гідрогену. Тому Е. Резерфорд припустив, що ядра всіх хімічних елементів складаються із протонів. Протонно-електронна модель атома добре узгоджувалася з експериментальними даними щодо властивостей Гідрогену. Проте вона зіткнулася з низкою труднощів у поясненні будови ядер важчих хімічних елементів. Тому він висунув припущення про існування нейтронів — елементарних частинок, які також входять до складу ядра.

У 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік, досліджуючи властивості випромінювання, яке виникає під час бомбардування Берилію альфа-частинками, встановив, що це потік нейтральних частинок, маса яких приблизно дорівнює масі протона. Вимірювання показали, що маса спокою нейтрона m_n = = 1,6749543 • 10^-27 кг= 1,008665012 а.о.м., що відповідає 939,5731 МеВ.

Ізотопи (від грец. isos — однаковий і topos — місце) — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що відрізняються за атомними масами

Нейтрон (від лат. пеШгит — ні те, ні інше) — нестабільна електрично нейтральна, тобто така, що не має ні позитивного, ні негативного заряду, елементарна частинка

У сучасній фізиці протони і нейтрони в ядрі називають нуклонами (від лат. шкіеш — ядро)

Число нуклонів у ядрі атома дорівнює його масовому числу А. Число протонів у ядрі атома дорівнює заряду ядра 2. Число нейтронів N = А-Z

У тому ж році радянський вчений Д. Д. Іваненко (українець за походженням, народився в Полтаві) і німецький фізик В. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували оболонкову протонно-нейтронну модель ядра атома. Вони припустили, що атомне ядро складається з нуклонів — протонів і нейтронів, які розміщуються певними групами й утворюють ядерні оболонки. Кожен нуклон перебуває в певному квантовому стані, який характеризується енергією та набором інших квантових величин.

Згідно з цією моделлю, загальне число нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює масовому числу атома А; число протонів дорівнює заряду ядра атома Z, число нейтронів N = А — Z. В ядерній фізиці ізотоп хімічного елемента X прийнято позначати відповідним символом із зазначенням його масового числа А (зліва вгорі) і зарядового числа Z (зліва внизу), тобто у вигляді ^A_ZХ. Наприклад, найлегший ізотоп Гідрогену — протій, ядро якого складається з одного протона, позначають ¹₁Н, альфа-частинку, що є ядром атома Гелію, ⁴₂Не тощо.

Заповнення ядерних оболонок підлягає певній закономірності — принципу Паулі: два тотожні нуклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових чисел. Тому існує ряд чисел — 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, названих магічними, які визначають максимальне число нуклонів у заповнених оболонках.

Перехід ядра атома з одного стану в інший, наприклад із стабільного у збуджений чи навпаки, за оболонковою моделлю пояснюють як квантовий перехід нуклона з однієї оболонки на іншу. Щоразу, коли число протонів чи нейтронів стає магічним, відбувається стрибкоподібна зміна величин, які характеризують властивості ядра. Цим, зокрема, пояснюють фізичну причину існування періодичності у властивостях хімічних елементів, відображену періодичною системою Д. І. Менделєєва.

Принцип Паулі спочатку був сфор мульований для пояснення зако номірностей у заповненні елект-ронних орбіталей в атомі; згодом він був поширений на всі елемен тарні частинки з напівцілим спіном

Принцип Паулі є фізичною суттю періодичного закону Д. І. Менделєєва

Оболонкова модель атомного ядра є однією з найпродуктивніших у ядерній фізиці, зокрема в поясненні періодичності власти-востей ядер і механізму ядерних реакцій. Проте вона також має свої обмеження, оскільки неспроможна розтлумачити властивості важких ядер і пояснити всі типи взаємодії нуклонів у ядрі. Тому існують також інші моделі атомних ядер, наприклад, крапельна, згідно з якою атомне ядро уявляють у формі краплі особливої квантової рідини.

ЯДЕРНІ СИЛИ ТА ЕНЕРГІЯ ЗВ'ЯЗКУ АТОМНИХ ЯДЕР

Нуклони в ядрі атома утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом однієї з чотирьох фундаментальних взаємодій — сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10^-15 м), але дуже інтенсивні. У межах атомного ядра вони майже у 100 разів переважають сили електростатичної взаємодії двох протонів і в 1038 разів — силу їхньої гравітаційної взаємодії. Проте на відстанях, більших за розміри ядер, вони настільки малі, що їхньою дією можна знехтувати.

Ядерні сили діють незалежно від наявності в нуклонах електричного заряду. Внаслідок цього в атомному ядрі утримуються електронейтральні нейтрони і не розлітаються однойменно заряджені протони. Експериментальні дослідження сил ядерної взаємодії протон-протонних, протон-нейтронних і нейтрон-нейтронних пар показали, що в усіх випадках вони однакові і не залежать від типу нуклона.

Ядерні сили — короткодіючі, оскільки проявляють себе на відстанях у межах атомного ядра (10^-15 м)

Обмінний характер ядерної взаємодії подібний до ковалентного зв'язку між атомами в молекулі, де роль такого «посередника» відіграють валентні електрони

У 1935 р. японський фізик X. Юкава висунув припущення, що природа ядерних сил полягає в їхньому обмінному характері, тобто, за його передбаченням, наявність ядерних сил зумовлює гіпотетична частинка ненульової маси, якою обмінюються між собою нуклони під час взаємодії.

Пізніше, у 1947 р. така частинка була експериментально виявлена і названа пі-мезоном. Встановлено, що залежно від типу взаємодіючої пари нуклонів (протон—протон, нейтрон—нейтрон, протон—нейтрон, нейтрон—протон) існує три види пі-мезонів: позитивний (п⁺), негативний (п^-) і нейтральний (п⁰). Перші два мають масу спокою, яка дорівнює 274 масам електрона те, що відповідає приблизно 140 МеВ; маса спокою третього дорівнює 264 те, що відповідає приблизно 135 МеВ.

Пі-мезони не входять до складу протонів і нейтронів. Вони лише виявляють себе в ядерній взаємодії як обмінні частинки, завдяки яким відбувається сильна взаємодія в атомному ядрі. Ця взаємодія є чинником об'єднання нуклонів у стабільне атомне ядро. Зв 'язаний стан нуклонів у ядрі характеризується енергією зв'язку, яка витрачається на те, щоб утримувати протони і нейтрони у такому стані. Тобто це енергія, потрібна для виконання роботи проти дії ядерних сил, що утримують нуклони в ядрі у зв'язаному стані.

Якщо порівняти масу атомних ядер із сумою мас нуклонів, які їх складають, то з'ясується, що вони не збігаються: маса ядра завжди менша за масу її складових. Тому кажуть, що існує дефект мас Δm, який визначається різницею суми мас Z протонів і N нейтронів та маси ядра m_я:

Пі-мезони — це кванти ядерного поля, подібні до фотонів, які є квантами електромагнітного поля

Пі-мезони інколи називають піонами

Енергія зв'язку ядра атома — це та мінімальна енергія, яку треба затратити, щоб роз'єднати ядро на окремі нуклони, що входять до його складу

Точні вимірювання мас атомних ядер показали, що т_я < Zт_р + Nт_п

Причина виникнення дефекту мас полягає в тому, що для утворення ядра з вільних протонів і нейтронів потрібно виконати роботу, яка чисельно дорівнює енергії зв'язку. Отже, дефект мас визначає енергію зв'язку ядра. Взявши до уваги формулу взаємозв'язку маси та енергії, отримаємо:

Природно, що енергія зв'язку різних ядер може бути різною. Проте якщо віднести її до числа нуклонів, то спостерігається певна іалежність питомої енергії зв'язку нуклона в ядрі від масового числа атома А (мал. 8.1).

Розглянемо графік такої залежності. Спочатку крива різко зростає і досягає максимуму   в ізотопів елементів з нуклон масовим числом від 50 до 60 (Ферум і близькі до нього елементи).

Відношення   називається питомою енергією зв'язку

У міру подальшого збільшення масового числа атома крива починає плавно спадати, посягаючи значення   в Урану ²³⁸₉₂U. Такий вигляд кривої зумовлений закономірностями забудови ядерних оболонок протонами і нейтронами. Проте оболонкова модель ядра неспроможна пояснити характер забудови всіх елементів. Зокрема, вона непридатна для важких елементів, де істотними стають електростатичні сили взаємодії протонів.