Електрони і протони. Моделі атома

Атоми складаються з ще більш дрібних частинок, які були відкриті в різний час різними дослідниками. Найпершою з таких частинок виявився електрон, що несе одиничний електричний заряд.

Електрон отримав свою нинішню назву тільки в самому кінці минулого століття, а до цього фізики тільки припускали, що існує якийсь ” атом електрики “, за допомогою якого по проводах передається електричний струм.

У 1853 році французький дослідник А. Массон вирішив спробувати пропускати електричні розряди (іскри) через скляну трубку, з якої відкачано повітря. Згодом з допомогою цього нескладного пристрою англієць Вільям Крукс провів безліч дослідів, і з тих пір такі трубки називають круксової (їх прямі ” нащадки ” – рідко зустрічаються тепер електронно – променеві телевізори та монітори).

Що ж вдалося з’ясувати за допомогою круксової трубок ? Вони служили джерелом незвичайних променів, які поширювалися негативно зарядженим електродом – катодом. Ці промені отримали назву катодних. Описуючи катодні промені, Крукс відзначав такі їх характеристики:

– Вони викликають світіння деяких речовин, нанесених на внутрішню поверхню трубки;

– Вони володіють кінетичної енергією і здатні передавати механічний рух вертушці з лопатями (рис. 2-1);

– Вони відхиляються магнітним полем;

– Вони негативно заряджені, тому що рухаються у напрямку до позитивного полюса трубки.

У 1897 році англійський фізик Дж. Дж. Томсон сконструював схожу трубку, за допомогою якої можна було вимірювати відхилення катодних променів в електричному полі (рис.2 -2).

Напруга, що подається на пластини 4 і 5, між якими проходили катодні промені, можна було зменшувати або збільшувати. Чим вище була напруга на пластинах 4 і 5, тим сильніше відхилявся від прямолінійної траєкторії потік катодних променів. Згодом цей експеримент допоміг встановити масу і заряд частинок, з яких складаються катодні промені: адже чим менше маса і чим більше заряд частки, тим легше відхилити її від прямолінійної траєкторії за допомогою електричного поля. Правда, для цього потрібні були додаткові експерименти, але в 1909 році мета була досягнута. Електричний заряд таємничих ” катодних ” частинок, виражений в кулонах, виявився величиною надзвичайно малою, тому для зручності фізики та хіміки частіше користуються іншою шкалою, в якій величина цього ” елементарного ” заряду прийнята за одиницю.

Описані Томсоном негативно заряджені частинки, що несуть найменший електричний заряд, отримали назву електронів.

Пізніше в аналогічному приладі вдалося спостерігати потік позитивно заряджених частинок, які стали називати протонами. Маса протона виявилася майже в 2000 разів більше маси електрона, а його заряд, як з’ясувалося, дорівнює заряду електрона, але зі знаком ” плюс”.

Таким чином, у розпорядженні фізиків з’явилися перші ” будівельні деталі “, за допомогою яких вже можна було спробувати побудувати ті чи інші моделі атомів.

Томсон припустив, що атоми складаються з позитивно зарядженої сфери, в яку вкраплені електрони (мал. 2- 3а). Ця модель атома отримала серед учених прізвисько ” сливовий пудинг “, хоча не менш схожа і на булочку з родзинками (де “родзинки” – це електрони), або на ” кавун ” з ” насінням ” – електронами. У досвіді Резерфорда потік альфа -часток прямував на тонку золоту фольгу, а потім ставав видимим на спеціальному екрані з світиться покриттям (рис 2-4).

Виявилося, що не всі альфа -частинки проходять фольгу наскрізь по прямій траєкторії. Деяка їх частина помітно відхилялася вбік і навіть відбивалася від тонкого листа золотої фольги, як снаряд від броні ! Це могло означати тільки одне: атоми золота не суцільні, а складаються з ” розріджених ” порожнеч (крізь які альфа -частинки проходять безперешкодно) і дуже щільних областей, від яких альфа -частинки відскакують, як м’ячик.

Резерфорд припустив, що атом золота складається з щільного, позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена практично вся маса атома, і оточуючих це ядро електронів (рис. 2- 3б). Електрони обертаються навколо ядра, утворюючи розріджений ” електронний рій “. Альфа -частинки відносно легко проходять крізь розріджену область, займану електронами і відображаються (або відхиляються в сторону) при зіткненні з щільним ядром атома. За співвідношенням відхилених і не відхилених альфа – частинок вдалося розрахувати, що розміри ядра атома золота приблизно в 100000 разів менше зовнішніх кордонів атома, якими він стикається з іншими атомами !

Модель Резерфорда пояснювала результати експерименту з альфа -частками, але задавала фізикам і хімікам ще більше питань, ніж було раніше. Чому при русі зарядженого електрона близько зарядженого ядра не виділяється енергія ? Як атоми ” прикріплюються ” один до одного ? Чому електрони не падають на ядро ? Яким чином фізичні тіла, що складаються з атомів, при нагріванні випускають світло ?

Ці питання частково прояснилися тільки після того, як датський фізик Н. Бор запропонував модель атома, схожу на модель Резерфорда, але з тією відмінністю, що електрони розташовувалися навколо ядра на строго певних, постійних орбітах (рис. 2- 3в). Ця модель нагадує пристрій сонячної системи, де електрони обертаються навколо ядра так само, як планети навколо Сонця.

Коли речовина нагрівають, електрони поглинають енергію і переходять на більш віддалені від ядра постійні орбіти, а потім повертаються на колишнє місце, виділяючи енергію суворо відміряними ” порціями ” (у вигляді світла). Така ” порція ” енергії (її називають квантом світла) в точності дорівнює різниці між енергіями електрона на більш високою і менш високою орбітах.

Вивчаючи випускається нагрітими тілами світло, можна з’ясувати, скільки постійних електронних орбіт існує в атомі і навіть встановити досить складне внутрішній устрій цих орбіт (про те, як це було зроблено, більш докладно розповідається в параграфі 2.7).

Результати величезного числа експериментів і зусилля фізиків – теоретиків дозволили отримати досить докладну інформацію про атоми. Про те, яка картина внутрішнього устрою атома відкрилася дослідникам, розповідається в наступних параграфах цієї глави.глекіслого газу з’єднати той же набір атомів по -іншому ? Як атоми ” прикріплюються ” один до одного ?

Відповіді на ці та багато інших питань, які зустрінуться нам далі, неможливо отримати, не розібравшись в пристрої атома.

Справа в тому, що знання внутрішнього пристрою атома дозволяє пояснювати і навіть передбачати численні властивості оточуючих нас речовин. Звичайно, з’ясувати будову такого незвичайного, невидимого оку об’єкта було надзвичайно важко. Однак винахідливий людський розум впорався навіть з такою надважкої завданням. Про те, як це вдалося здійснити, коротко розповідається в наступному параграфі (а більш детально – у параграфі 2.7).

Посилання на основну публікацію