Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна

Розділ 4. Фізика атома та атомного ядра. Фізичні основи атомної енергетики

На початку ХХ ст. визначними подіями у фізиці стали: відкриття електрона; з’ясування будови атома й атомного ядра; дослідження нових видів взаємодій між структурними частинками атома. Наукове пояснення цих відкриттів утворює окремий напрямок у фізиці, вивчення якого допоможе вам зрозуміти таємниці «мікросвіту», значення цих відкриттів для розвитку фізичної науки й людського суспільства та перспективи досліджень у цьому напрямі. Адже наприкінці ХХ ст. фізичні дослідження перейшли від мікро- до нанорівня. Уже сьогодні відбуваються маніпуляції з окремими атомами, які дозволяють створювати нові речовини з унікальними властивостями. Щоб оволодіти сучасними технологіями, необхідно знати та розуміти особливості фізики атома й атомного ядра!

§ 31. Сучасна модель атома. Досліди Резерфорда

Ви дізнаєтесь

• Як була встановлена будова атома

Пригадайте

• Що вам відомо про будову атома

Перші моделі атома. Будову атома ви вже багато разів розглядали на уроках природознавства, фізики й хімії. А чи задумувалися ви про те, яким чином її вдалося встановити? Які гіпотези висувалися для теоретичних і практичних досліджень?

Реальна будова атома тривалий час залишалася недослідженою. Також нічого не було відомо про існування частинок, з яких складаються атоми. Поштовхом у дослідженні будови атома стали відкриття, які дали змогу «заглянути в таємниці мікросвіту». Одне з таких відкриттів здійснив англійський фізик Джозеф Джон Томсон, який у 1897 р. експериментально відкрив електрон.

Трохи раніше, у 1896 р., французький фізик Антуан Анрі Беккерель виявив речовини, які здатні випромінювати мікрочастинки. Такі речовини назвали радіоактивними. Мікрочастинки, що випромінювалися радіоактивними речовинами, були досліджені Ернестом Резерфордом у 1899 р. Деякі з цих мікрочастинок мали масу, що приблизно в 7300 разів перевищувала масу електрона, а їхній позитивний заряд дорівнював подвоєному елементарному заряду. Резерфорд назвав ці частинки α-частинками (альфа-частинками). (Про інші мікрочастинки, які можуть випромінюватись радіоактивними речовинами, і про саме явище радіоактивності ви дізнаєтесь детальніше в § 33.)

На основі цих відкриттів учені зробили висновок про те, що атом має складну будову. До цього часу атом вважався неподільним і відмінності хімічних властивостей різних речовин не мали свого пояснення. Щоб вирішити цю проблему, Джозеф Томсон запропонував першу модель атома. Він висловив гіпотезу, що «позитивна електрика» розподілена в атомі по сфері, у яку вкраплені електрони, що мають негативний електричний заряд (мал. 193, а). За цією гіпотезою, в атомі Гідрогену електрон повинен міститися в центрі позитивно зарядженої сфери, а в атомах, що містять більш ніж один електрон, вони мають перебувати в певних місцях, утворюючи стійкі конфігурації. Томсон вважав, що кожна така конфігурація визначає хімічні властивості відповідного атома.

Мал. 193. Перші моделі атома: а — Джозефа Томсона; б — Хантаро Нагаоки

Ще одну модель будови атома в 1904 р. запропонував японський фізик Хантаро Нагаока. Ця модель атома була подібною до планети Сатурн: навколо ядра (позитивно зарядженої центральної частина атома) по кільцеподібних траєкторіях рухалися електрони (мал. 193, б).

Досліди Е. Резерфорда. Дослідити будову атома за допомогою експериментів вдалося англійському фізику Ернесту Резерфорду.

Ернест Резерфорд, Ернест Марсден і Ганс Гейгер у 1909-1911 рр. здійснили досліди, у яких α-частинками «бомбардували» атоми важких елементів (Ауруму, Арґентуму, Купруму та ін.). Для цих дослідів Резерфорд обрав саме α-частинки, бо вони «вилітали» з радіоактивної речовини з дуже великою швидкістю (близько 10⁷ м/с). Схему досліду с Резерфорда зображено на малюнку 194.

Джозеф Джон Томсон (1856-1940)

Англійський фізик.

У 1897 р. відкрив електрон, за що в 1906 р. був відзначений Нобелівською премією з фізики в номінації «за дослідження проходження електричного струму через гази». Одним з учнів Томсона був Ернест Резерфорд

Мал. 194. Схема досліду Резерфорда: К — свинцевий контейнер з радіоактивною речовиною; Е — екран, покритий сірчистим цинком; Ф — золота фольга; М — мікроскоп

Ернест Резерфорд (1871-1937)

Англійський фізик. Лауреат Нобелівської премії з хімії 1908 р. Усі досліди, поставлені

Резерфордом, мали фундаментальний характер і відрізнялися винятковою простотою і ясністю

Від радіоактивної речовини, поміщеної у свинцевий контейнер, α-частинки спрямували на тоненьку золоту фольгу (практично кілька шарів атомів Ауруму). Розсіяні частинки потрапляли на екран, покритий шаром сірчистого цинку, який світиться під ударами швидких заряджених частинок. Спалахи на екрані можна було спостерігати за допомогою мікроскопа. Спостереження розсіяних α-частинок у дослідах Резерфорда можна було проводити під різними кутами φ до початкового напрямку поширення пучка α-частинок.

Під час дослідів було виявлено:

• більшість α-частинок проходили через тонкий шар металевої фольги, практично не відхиляючись;
• невелика кількість α-частинок відхилялась на значні кути, що перевищували 30°;
• дуже невелика кількість α-частинок (приблизно одна на десять тисяч) відхилялась на кути, близькі до 180°.

На особливу увагу заслуговує останнє спостереження. Фактично α-частинки відлітали назад! Цей факт став неочікуваним, і Е. Резерфорд відчув, що за цим криється щось важливе.

Оскільки побачити атом неможливо, то пояснення зміни напрямку руху α-частинок ґрунтувалося на логічних припущеннях.

Учений ретельно підрахував кількість частинок, що летіли в кожному з напрямків, а потім за допомогою складного, але переконливого математичного аналізу обґрунтував ядерну модель атома.

Модель атома Резерфорда. Згідно із запропонованою Ернестом Резерфордом ядерною моделлю майже весь об’єм атома — це порожнина, і практично вся атомна маса й позитивний заряд сконцентровані в його центрі, у маленькому «ядрі» атома, а в просторі, на деякій відстані від ядра, у так званих електронних оболонках, рухаються електрони (мал. 195). Заряд ядра за величиною дорівнює сумарному заряду всіх електронів, що входять до складу атома.

Відповідно до такої моделі легко пояснити зміну напрямків руху α-частинок при проходженні крізь фольгу (мал. 196).

Якщо α-частинка рухається у просторі електронних оболонок атома, то вона не зазнає значної електромагнітної взаємодії й майже не відхиляється від прямолінійної траєкторії руху. Проте якщо α-частинка пролітає досить близько від позитивно зарядженого ядра атома, то кулонівська взаємодія між нею і ядром змушує її відхилитися на певний кут. У разі, якщо α-частинка рухається по прямій, що проходить через центр ядра атома, то при деякому наближенні до ядра на α-частинку починає діяти значна сила відштовхування, яка змушує її змінити напрямок руху на 180°.

Мал. 195. Планетарна модель атома за Резерфордом

Мал. 196. Траєкторії α-частинок у досліді Резерфорда

Підраховуючи кількість альфа-частинок, розсіяних на різні кути, Резерфорд зміг оцінити лінійні розміри ядра. Діаметр ядра не перевищує 10^-14-10^-15 м. У той час, як діаметр всього атома має порядок 10^-10 м. Отже, ядро займає дуже малу частину повного об’єму атома, але містить майже 99,95 % його маси. Якщо обчислити відношення маси ядра до його об’єму (густину ядра), то це число становитиме 10¹⁵ г/см³!

Згодом вдалося встановити таке. Кількість електронів (а отже, і кількість протонів) в атомі будь-якого хімічного елемента збігається з його номером у таблиці Менделєєва.

Модель атома, запропонована Резерфордом, поза сумнівом, стала великим кроком уперед у розвитку знань про будову атома. Проте й вона виявилася нездатною пояснити сам факт тривалого існування атома, тобто його стійкість. Адже електрон, що рухається з прискоренням, має випромінювати електромагнітні хвилі, що приводить до зменшення його енергії. За короткий час (близько 10^-8 с) усі електрони в атомі Резерфорда мають втратити всю свою енергію й впасти на ядро. Те, що в стійких станах атома цього не відбувається, підтверджує, що внутрішні процеси в атомі не пояснюються класичними законами фізики.

Модель атома Резерфорда-Бора. У 1900 р. німецький фізик Макс Планк висловив гіпотезу про те, що процес поглинання й випромінювання світла здійснюється певними «порціями енергії» — квантами. Після цього, у 1913 р., Нільс Бор зробив першу спробу побудувати якісно нову — квантову (відмінну від класичної) теорію будови атома. Учений поставив за мету зв’язати в єдине ціле ядерну модель атома Резерфорда і квантовий характер випромінювання та поглинання світла.

Обґрунтовуючи квантове поглинання та випромінювання світла, Нільс Бор виклав свої припущення у вигляді постулатів (постулат — твердження, яке при побудові наукової теорії приймають без доведення).

Нільс Бор (1885-1962)

Данський фізик-теоретик, один із творців сучасної фізики. За заслуги у вивченні будови атома став лауреатом Нобелівської премії в 1922 р.

Макс Карл Ернст Планк (1858-1947)

Німецький фізик-теоретик, заклав основи для побудови квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1918 р.

Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів): в атомі існують стаціонарні (що не змінюються із часом) стани, у яких він не випромінює енергії.

Другий постулат Бора: перехід електрона з одного енергетичного рівня на інший супроводжується випромінюванням (або поглинанням) одного кванту (порції) електромагнітного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій відповідних рівнів.

Теорія Бора дала можливість пояснити внутрішньоатомні процеси з принципово нових позицій.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Опишіть перші моделі атома. Хто є їх творцями?
• 2. Яка мета стояла перед Резерфордом і його співробітниками? Опишіть будову установки, за допомогою якої було проведено дослідження вивчення будови атома. Які результати досліджень взаємодії альфа-частинок з атомами Ауруму?
• 3. Опишіть будову атома по Резерфорду.
• 4. У чому полягали протиріччя між запропонованою планетарною моделлю та умовами стійкого існування атома? Як Н. Бор розв’язав вказане протиріччя?
• 5. Які експериментальні факти свідчать про складну будову атома?