Відкриття радіоактивності і модель атома Резерфорда

Модель атома, запропонована Томсоном, проіснувала майже десять років. Але за цей час накопичилися нові наукові факти, які ця модель пояснити не могла, наприклад радіоактивність. Першовідкривачем цього явища можна вважати французького фізика Антуана Анрі Беккереля (1852-1908). У 1896 р йому вдалося випадково виявити, що солі урану володіють властивістю засвічувати в повній темряві фотографічну пластинку. Так як інтенсивність почорніння пластинки не залежала від того, яка саме сіль урану використовувалася, Беккерель прийшов до висновку, що сам по собі метал, званий ураном, випускає якесь випромінювання. Первісне припущення, що це випромінювання є рентгенівським, не підтвердилося. Стало ясно, що уран випускає випромінювання, доти невідоме. Дослідження Беккереля були продовжені подружжям П’єром Кюрі (1859-1906) і Марією Склодовської – Кюрі (1867-1934) (рис. 101). Їм вдалося виявити ще три хімічних елементи, що випускають невидимі промені.

 

Цими елементами виявилися торій, радій і полоній. Випромінювання було названо радіоактивним, а саме явище – радіоактивністю. Згодом виявилося, що радіоактивне випромінювання здатні випускати багато елементів, що мають великий атомний вагу. У деяких елементів, що не володіють радіоактивністю в звичайних умовах, вона виникає після того, як вони самі були опромінені радіоактивним випромінюванням. Це явище отримало назву штучної радіоактивності.
Природа радіоактивності стала головним предметом вивчення англійського фізика новозеландського походження Ернеста Резерфорда (1871-1937) (рис. 102), який працював у тій же лабораторії Кембриджського університету, що і Томсон. У 1899 р йому вдалося встановити, що радіоактивне випромінювання складається принаймні з двох складових, які він назвав альфа- і бета-випромінюванням. Обидва ці види випромінювання складалися з електричних зарядів, так як відхилялися під дією магнітного поля. Незабаром була виявлена ​​і третя складова радіоактивності, яка не має електричного заряду, яку за аналогією назвали гамма-випромінюванням. Надалі вдалося з’ясувати, що альфа-промені є потоком атомних ядер хімічного елемента, званого гелієм, бета-промені – потоком електронів, т. Е. Катодними променями, а гамма-промені, як ви вже знаєте, являють собою електромагнітне випромінювання дуже високої частоти . Розділити сумарне радіоактивне випромінювання на ці три складові в експерименті нескладно. Для цього потрібно пропустити пучок випромінювання через магнітне поле. Препарат радію поміщають на дно вузького каналу в шматку свинцю. Навпаки каналу знаходиться фотопластинка. На що виходить з каналу випромінювання діє сильне магнітне поле, під дією якого пучок розпадається на три пучка (рис. 103). Два з них відхиляються в протилежні сторони, що вказує на наявність у цих випромінювань електричних зарядів протилежних знаків. При цьому негативний компонент випромінювання (бета- промені) відхиляється магнітним полем набагато сильніше, ніж позитивний (альфа-промені). Третя, нейтральна складова (гамма промені) не відхиляється магнітним полем.
Резерфорд провів експеримент, в якому з радіоактивного випромінювання виділяли пучок позитивно заряджених (позбавлених електронів) атомів гелію, які називаються альфа-частинками.

Ці частинки вдарялися об тонку металеву фольгу і після взаємодії з її атомами розсіювалися, т. Е. Розліталися відповідно до законів зіткнення. Розсіяні частки потрапляли на екран, покритий речовиною, здатним світитися під ударами швидких заряджених частинок. Резерфорд виявив, що більшість альфа-частинок пролітає через шар металу, практично не піддаючись якомусь відхиленню. Деякі частинки відхилялися на невеликі кути, і тільки одна з десяти тисяч відскакувала назад під кутом, близьким до 180 °.
Цей результат знаходився в різкому протиріччі з моделлю атома Томсона. Якби атом представляв собою щільну масу, ймовірність того, що частинка відскочить від нього назад під великим кутом, була б значно більше. Розмірковуючи над причиною несподіваного результату експерименту, Резерфорд прийшов до висновку, що атом насправді майже порожній, а весь його позитивний заряд зосереджений в обсязі, дуже малому в порівнянні з величиною всього атома. Цю невелику частину атома Резерфорд назвав атомним ядром.
Запропоновану Резерфордом модель будови атома називають планетарною. Відповідно до неї в центрі кожного атома знаходиться невелике позитивно заряджене ядро, а навколо нього на величезних в порівнянні з розмірами ядра відстанях знаходяться негативно заряджені електрони. Ці електрони обертаються по певних траєкторіях навколо ядра подібно до того, як планети рухаються по орбітах навколо Сонця. Результати експериментів Резерфорда можна пояснити тим, що переважна більшість альфа-частинок, що бомбардують атом, практично вільно проникають через його електронну оболонку, не відчуваючи істотного відхилення через те, що їх маса значно більше маси електрона. Частинки, що пролітають в безпосередній близькості від ядра, відхиляються убік через відштовхування їх заряду від позитивно зарядженого ядра. У виняткових випадках частинки стикаються безпосередньо з ядром і відскакують назад, але через малі розмірів ядра таке трапляється вкрай рідко. Подібне пояснення будови атома було запропоновано ще в 1903 р японським фізиком Хантаро Нагаока, але вона не отримала визнання через відсутність у той час підтверджуючих її експериментальних даних.
Проведені Резерфордом обчислення показали, що атомне ядро ​​має радіус менше 10-12 см, так що розмір всього атома, що становить близько 10-8 см, визначається величиною його електронної оболонки. Таким чином, розмір електронної оболонки атома в десятки тисяч разів перевищує розмір його ядра. У той же час 99,98% маси атома зосереджена саме в ядрі.
Дослідження радіоактивності дозволило переконатися в тому, що ядра володіють цією властивістю хімічних елементів здатні розпадатися, викидаючи частинки, які за розміром значно менше їх самих. Це показувало, що не тільки атом, але і його ядро ​​подільні. Питання було в тому, чи справедливо це для всіх хімічних елементів або тільки для тих, які володіють радіоактивними властивостями. Для того щоб це перевірити, Резерфорд став бомбардувати що не володіє радіоактивністю азот альфа-частками. При цьому він спостерігав появу одноразово іонізованих атомів водню. На підставі отриманих результатів Резерфорд заявив, що
«Створюється враження, що атоми водню народжуються в результаті розщеплення ядра азоту».
Було загальновизнано, що ядра всіх атомів містять протони незалежно від того, чи відбувається в них спонтанний радіоактивний розпад чи ні. Таким чином, стало можливим наблизитися до розуміння будови атома і його ядра.
Планетарна модель Резерфорда набула широкої популярності. Крім того що вона задовільно пояснювала будову атома, її стали пропагувати «космісти», які прагнули одноманітно пояснити всі природні явища. Ідея багаторазово експлуатувалася письменниками-фантастами і просто схильними до філософії людьми, передбачається, що атоми є повною аналогією планетарної системи, а на електронах, можливо, існує розумне життя. Навпаки, наші планетарні системи є, в свою чергу, атомами якогось гігантського сверхвещества.
Насправді модель Резерфорда, хоча і була визнана науковим співтовариством, мала недоліки, що породжували численні запитання. Якщо ядро ​​атома складається з протонів, то звідки при радіоактивному розпаді виникає бета-випромінювання, яке представляє собою, як відомо, потік електронів? Чому заряд атомного ядра дорівнює сумі зарядів складових його протонів, а його маса вдвічі перевищує суму мас цих протонів? Модель Резерфорда суперечила законам електродинаміки, згідно яким електрон при обертальному русі повинен випромінювати електромагнітні хвилі, а отже, втрачати енергію. Розрахунки показували, що з цієї причини електрон через найкоротший час повинен впасти на ядро. Удосконалити модель, дозволивши наявні протиріччя, вдалося Нільса Бора. Але для цього довелося створити нову науку, яку назвали квантовою фізикою чи квантовою механікою.
Перевірте свої знання
1. Хто і в яких експериментах відкрив явище радіоактивності?
2. Що являють собою альфа-, бета- і гамма-промені? Яким чином можна їх розділити?
3. Як називається модель атома, запропонована Е. Резерфордом? Чому вона так називається?
4. Яке зразкове співвідношення між розміром атома і розміром його ядра?
5. Які явища не могли бути пояснені за допомогою моделі атома Резерфорда?

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Жук-носоріг