§ 203. Ядерная модель атома

В предыдущих параграфах мы познакомились с данными о размерах и массах атомов. Перейдем теперь к вопросу о внутреннем строении атома.

Изучению строения атома способствовало открытие явлений радиоактивности. Мы подробно остановимся на этих явлениях в гл. XXIII. Пока нам достаточно знать о радиоактивности следующее.

Некоторые элементы, расположенные в конце периодической системы Д. И. Менделеева, обладают способностью испускать быстрые заряженные частицы, называемые альфа-частицами ( - частицами). Опыты показали, что  - частицами представляют собой ионизованные атомы гелия. Они несут положительный электрический заряд, равный , и обладают массой . Обнаруживаться  - частицы могут по различным своим действиям, например по действию на люминесцирующие экраны. При ударе даже одной быстрой  - частицы об экран, покрытый люминесцирующим веществом (например, сернистым цинком), возникает кратковременная вспышка света, называемая сцинтилляцией. Сцинтилляции легко замечаются глазом, в особенности при наблюдении в микроскоп с небольшим увеличением,  - частицы вылетают из радиоактивных атомов со скоростью, превышающей . Благодаря своей громадной скорости  - частицы при столкновениях с атомами могут проникать внутрь последних. Этим удается воспользоваться, чтобы получить сведения о внутреннем устройстве атома.

Рассмотрим следующий опыт (рис. 355). Перед источником  - частиц 1 помещена диафрагма 2 с небольшим отверстием в центре - частицы, попадающие на материал диафрагмы, задерживаются;  - частицы, попадающие в отверстие, проходят через него в виде узкого пучка. В месте попадания пучка  - частиц на прозрачный люминесцирующий экран 3 образуется светящееся пятно, представляющее собой сцинтилляции, возникающие под ударом каждой отдельной  - частицы. Так как число частиц, попадающих на экран за , велико, то отдельные сцинтилляции сливаются для наблюдателя в световое пятно.

Рис. 355. Наблюдение сцинтилляций, вызываемых  - частицами: 1 – источник  - частиц, 2 – диафрагма с небольшим отверстием, 3 – люминесцирующий экран, 4 – микроскоп для наблюдения сцинтилляций

Поместим перед экраном тонкий слой какого-либо вещества, например золотую фольгу, толщиной примерно . Мы увидим (рис 356), что интенсивность центрального светящегося пятна уменьшится, правда незначительно. В то же время появится некоторое число сцинтилляций вне центрального пучка. Эти сцинтилляции вызваны  - частицами, которые при прохождении сквозь золотую фольгу изменили направление полета, или, как говорят, рассеялись. Передвигая микроскоп по экрану от центрального пятна наружу, мы установим, что число рассеянных  - частицы быстро убывает с увеличением угла рассеяния.

Рис. 356. Рассеяния  - частиц золотой фольгой 5 (остальные обозначения те же, что и на рис.355)

В описанном опыте замечательным является следующее. Диаметр атома золота равен . Золотая фольга толщиной  содержит  атомных слоев. В твердом теле атомы расположены почти вплотную (§ 195). Поэтому при прохождении через фольгу  - частица должна столкнуться примерно с 3000 атомов золота. Тем не менее, как мы видели, подавляющая доля  - частиц проходит фольгу и не испытывает при этом заметного рассеяния. На основании этих опытов мы приходим к заключению, что атом золота ни в коем случае нельзя считать непроницаемым.

С другой стороны, важно отметить, что некоторые  - частицы, проходя через фольгу, рассеиваются на большие углы. Чтобы отклонить обладающую колоссальной скоростью  - частицу на большой угол, нужны громадные силы. Следовательно, внутри атома на  - частицу могут действовать очень большие силы, но в поле этих сил попадает лишь малая доля пролетающих частиц.

Чтобы объяснить эти опыты, английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) предложил (в 1911 г.) ядерную модель строения атома. Согласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть объема атома. Положительное ядро окружено отрицательными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объем атома, но масса ее ввиду легкости электрона незначительна.

Рассмотрим с точки зрения такой ядерной модели процесс прохождения  - частицы через атом. На  - частицу, проникающую в атом, действуют электрические силы со стороны ядра и электронов. Масса электрона почти в 8000 раз меньше массы  - частицы. Поэтому взаимодействие  - частицы с электроном протекает аналогично упругому соударению быстро движущегося тяжелого шара с легким. При таком соударении направление движения легкого шара может резко измениться, тогда как скорость тяжелого шара изменяется незначительно (рис. 357). Таким образом, взаимодействие с электронами не приводит к заметному отклонению  - частицы. Что касается взаимодействия  - частицы с ядром, то оно может заметно изменить движение  - частицы. В самом деле, в случае золота роль тяжелого шара играет ядро атома золота, а роль легкого —  - частица (масса атома золота равна , масса  - частицы — ).

Рис. 357. Соударение тяжелого шара с легким. Сплошными стрелками показаны скорости шаров а) до удара; б) после удара; движение тяжелого шара изменяется в результате соударения незначительно (штриховые стрелки – скорости шаров до удара)

Отклонение  - частицы пропорционально действующей на нее силе, которая тем больше, чем ближе к ядру подходит  - частица.

То обстоятельство, что некоторые  - частицы испытывают весьма значительные отклонения, доказывает, что иногда  - частица и ядро могут сблизиться до очень небольшого расстояния, т. е. что размеры и  - частицы и ядра очень малы. Но такие  - частицы, которые пролетают близко от ядра, встречаются редко. Большинство  - частиц пролетает на сравнительно большом расстоянии от ядра и поэтому отклоняется слабо (рис. 358).

Рис. 358. Траектории  - частиц, пролетающих на разных расстояниях от атомного ядра

Используя закон Кулона и законы динамики Ньютона, Резерфорд рассчитал зависимость числа рассеянных  - частиц от угла рассеяния. Результаты расчета прекрасно согласуются с данными измерений, проведенных с фольгами из различных материалов. Это согласие доказывает правильность ядерной модели атома. Оно же доказывает правильность допущения, что электрические силы, действующие внутри атома, подчиняются закону Кулона . Но мы знаем, что закон Кулона справедлив в том случае, когда размеры взаимодействующих зарядов малы по сравнению с расстояниями между ними. То обстоятельство, что закон этот соблюдается даже при очень значительном сближении центров взаимодействующих ядра и  - частицы, показывает, что размеры ядер должны быть очень малы. Теоретический расчет и сравнение его с данными опытов позволяют сделать количественные заключения о размерах ядра и его заряде.

Оказывается, что диаметры ядер разных атомов несколько различны (диаметр ядра тем больше, чем больше масса атома) и составляют около . Размер ядра, таким образом, примерно в 10 000 раз меньше размера атома. Вообразим на минуту, что мы проникли глазом внутрь плотной среды — жидкости или твердого тела. Мы увидим «туман» легких электронов, заполняющий весь объем вещества. В этом «тумане» редко-редко расположены крошечные, но тяжелые атомные ядра, отстоящие друг от друга на расстояниях, в десять тысяч раз превышающих размеры самих ядер.

Заряд ядра равен , где  — элементарный заряд, а  — порядковый номер элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Так как атом в целом нейтрален, то число электронов в атоме равно . Таким образом, порядковый номер элемента в таблице Менделеева имеет глубокий физический смысл: порядковый номер элемента есть заряд атомного ядра в элементарных единицах заряда и в то же время число электронов в атоме.