Будова атома

Під час вивчення попередніх розділів курсу фізики, а також хімії ви не раз чули про складну будову атома, спостерігали досліди, які підтверджують це, пояснювали
електричні, магнітні й електромагнітні явища, виходячи з того, що атоми складаються з додатно зарядженого ядра і електронів, які рухаються навколо нього. Нарешті, вивчаючи дисперсію світла, ви переконалися в тому, що атоми випромінюють цілком певні лінійчасті
спектри.

Усі електричні явища — електризація тіл під час тертя, проходження електричного струму 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, отже, і до складу атомів. На початку XX ст. було експериментальне встановлено існування частинки з елементарним електричним зарядом — електрона,
який є складовою частиною атома. З одним з багатьох дослідів по доведенню існування елементарного електричного заряду — дослідом Міллікена — ви ознайомилися раніше.

Важливу роль у розумінні природи атома відіграв періодичний закон, який свідчить про складність атомів елементів. У курсі хімії 8-го класу ви вивчили цей закон:властивості хімічних елементів знаходяться в періодичній залежності від заряду їх атомних ядер,
і широко користувалися цим законом для пояснення властивостей хімічних елементів і хімічних явищ.

Досліджуючи оптичні спектри хімічних елементів, учені встановили, що атоми кожного хімічного елемента дають своє власне випромінювання, а це означає, що атоми кожного виду мають свою внутрішню структуру.

Особливо важливу роль для з’ясування будови атома відіграли досліди Е. Р е з е р ф о р д а і його співробітників по вивченню проходження альфа-частинок крізь тонкі плівки золота та інших металів. З курсу хімії відомо, що альфа-частинки виникають під час радіоактивного розпаду атомів. Ці частинки мають додатний електричний заряд, за абсолютним значенням удвічі більший від заряду електрона. Маса альфа-частинки приблизно в 7350 раз бі.льша за масу електрона. ІІадаючи на флюоресціюючий екран, кожна альфа-частинка спричиняє спалах, що дає змогу рахувати альфа-частинки і вивчати їх розподіл. У дослідах Резерфорда альфа-частинки з однаковою швидкістю спрямовувалися на флюоресціюючий екран крізь тоненьку металеву фольгу і підраховувалися кількість частинок, розсіяних під різними кутами. Всередині виїмки в шматку свинцю поміщалась радіоактивна речовина, яка служила джерелом альфа-частинок. Внаслідок сильного гальмування у свинці, альфа-частинки могли виходити назовні лише крізь вузький отвір. На шляху утвореного в такий спосіб вузького, майже паралельного пучка альфа-частинок розміщалася тонка металева (золота, платинова, мідна, срібна) фольга, товщина якої становила приблизно 0,0004 см -- десятки тисяч атомних шарів. Проходячи крізь фольгу, альфа-частинки відхилялися від початкового напряму руху на різні кути -- розсіювалися. Розсіяні альфа-частинки вдарялися в маленький екран покритий флюоресціюючою речовиною (сірчастим цинком).

Екран закріплювався нерухомо на об'єктиві довгофокусного мікроскопа з малим збільшенням, за допомогою якого велися спостереження спалахів світла під час ударів альфа-частинок в екран. Мікроскоп обертався навколо осі, яка проходила через центр розсіюючої фольги, щоб можна було визначити кількість частинок, розсіяних під різними кутами до напряму первинного пучка. Весь прилад вміщався в кожух, з якого відкачувалося повітря, і тим самим усувалося гальмування альфа-частинок за рахунок зіткнення їх з молекулами
повітря.

Досліди показали, що, проходячи крізь плівку завтовшки в кілька тисяч міжатомних відстаней, дуже мало частинок рідко змінювали напрям руху, в той час як переважна більшість їх майже не відхилялася від початкового напряму польоту. Наприклад, під час проходження пучка альфа-частинок зі швидкістю 1,8∙10⁷ м/с крізь шар золота завтовшки 6∙10^-7 м в середньому одна частинка з 20 000 відхилялась (розсіювалася) на кут порядка 90° . А деякі частинки, їх було надзвичайно мало, відхилялися майже на 180 , тобто іноді альфа-частинки навіть відбивалися від тонкої металевої фольги.

З'ясуємо, з яких причин альфа-частинка може змінити напрям польоту. Альфа-частинка має масу й заряд. тому на неї можуть діяти як сили тяжіння, так і кулонівські. А з електростатики відомо, що кулонівські сили взаємодії заряджених частинок значно переважають гравітаційні. Наприклад, кулонівська сила взаємодії альфа-частинки з протоном чи електроном у
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 електричне заряджених частинок, які містяться всередині атомів.

Які ж це частинки? Як вони розміщені в атомах? На ці запитання і мали відповісти досліди Резерфорда. Очевидно, що заряджена частинка, яка відхиляє альфа-частинку на великий кут, не може бути електроном. Адже маса електрона приблизно в 7350 раз менша за масу альфа-частинки. Згідно з законами збереження імпульсу і енергії, частинка, яка рухалася зі швидкістю v, не може під час співудару надати нерухомій частинці швидкість більшу за 2v . Отже, під час співудару з електроном імпульс альфа-частинки змінюється на значення, яке не перевищує Ця зміна мізерно мала, тому можна вважати, що внаслідок
зіткнення альфа-частинки з електроном її рух практично не зміниться.

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

З дослідів Резерфорда випливало, що хоч атоми в твердому тілі дуже 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 додатно заряджене ядро розміром порядка 10^-15 м. З дослідів випливало також, що в ядрі зосереджена майже вся маса атома. Справді, із законів співудару пружних куль відомо, що куля під час співудару відлітає назад тільки тоді, коли її маса мала порівняно з масою другої кулі. Отже, маса додатно зарядженого ядра, з яким співударяється альфа-частинка, яка відхиляється на кут, близький до 180°, значно перевищує масу самої альфа-частинки.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.