О строении атома
Мы часто сталкиваемся с тем, что объекты окружающие нас имеют структуру. Цельная гора песка оказывается состоящей из примерно равных по размеру песчинок, а живой организм –из нескольких типов клеток. Естественно, люди задумывались о структуре вещества. Изучение структуры вещества – важнейшая задача физики.И если атомная гипотеза к концу XIX века уже не вызывала сомнений у большинства ученых, то структура атома была неизвестна. Изучение явлений электризации и протекания электрического тока наводило на мысль, что в веществе есть электрически заряженные частицы, входящие в структуру атома. Они достаточно легкие (масса заряженного тела не меняется) и довольно легко отделяются от атома. Нагретый до высокой температуры металл испускал такие частицы в окружающее пространство. Изучение их по движению в электрическом и магнитном полях показало, что они отрицательно заряжены и довольно легкие – в 1840 раз легче самого легкого атома (Н). То есть, в составе атома есть эти частицы (так называемые, бета-частицы). Поскольку разные атомы имеют разные свойства, то этих частиц в них разное количество, и кроме них есть что-то еще, причем это что-то положительно заряжено (атом в целом, нейтрален, то есть имеет нулевой заряд). Эту легкую отрицательную частицу, исследованную в 1895 году назвали «электрон», и Дж.Томсон, директор кавендишской лаборатории физики предложил первую модель устройства атома (рис.1 ).
В центре капли положительно заряженной жидкости плавает электрон. Если его отклонить от положения равновесия (например, соударением с другим атомом) электрон начет колебаться в атоме, при этом атом будет излучать свет (который мы видим при свечении сильно нагретых тел). Ясно, почему холодные тела не светятся – теплового движения атомов пока недостаточно для таких процессов.
К тому времени люди поняли, как устроена таблица Менделеева. Номер элемента определял его химические свойства, которые очевидно, определялись количеством электронов, плавающих в капле. Ведь сами капли качественно ничем не отличались, разве что размером. Поэтому, модель Томсона многое объяснила, но через 16 лет, в 1911 году была заменена другой. За эти годы было открыто и исследовано явление радиоактивности. Соли некоторых элементов (уран, радий) излучали пучки других заряженных частиц. По массе они были в 4 раза тяжелее атома водорода и имели положительный заряд, равный по модулю удвоенному заряду электрона. Значит, они тоже входили в состав атома или образовывались в его недрах! Их назвали альфа-частицами. Если запускать их в стеклянную банку, то через некоторое время в ней образуется газ гелий.
Важнейший опыт по изучению структуры атома поставил физик Эрнест Резерфорд. Логика эксперимента, до сих пор используемая при изучении вещества, соответствует логике ребенка, пытающегося проникнуть в закрытую коробочку. Он должен сломать ее, разрушить. В качестве объекта исследования был взят атом золота в тонкой фольге, а в качестве средства исследования – пучок быстро летящих альфа-частиц. Предполагалось, что они будут отклоняться на небольшие углы слабым полем, создаваемым положительным зарядом атома и его электронами. С большинством частиц было примерно так, однако примерно одна из 8000 частиц, будто наткнувшись на невидимое препятствие, разворачивалась и летела назад со своей огромной скоростью. Резерфорд сравнил это со стрельбой из пушки по листу бумаги, когда пушечное ядро отскакивает и летит назад. Здесь нужно вспомнить закон Кулона. Напряженность поля точечного заряда может быть колоссально большой, если мы приблизимся к нему на очень малое расстояние. Резерфорд предположил, что положительный заряд атома не «размазан» по капле размером 0-8 см, а сосредоточен в центре атома в малой области 10-13 см, которую он назвал ядром. Видно, что ядро в 100000 раз меньше самого атома, а электроны находятся где-то на его границе. Если альфа-частица летит прямо на ядро, то она подлетает к нему очень близко, кулоновские силы отталкивания велики, и частицу отбрасывает назад. Попасть «на ядро» маловероятно, поэтому большинство частиц пролетают почти без отклонений. Эту модель атома назвали планетарной(рис 2), поскольку в центре находится положительное ядро, а вокруг него на большом расстоянии подобно планетам летают (неподвижно стоять они не могут – упадут на ядро) электроны. На рисунке приведена модель Резерфорда атома Н. Химические свойства атома, очевидно, обусловлены свойствами электронных оболочек и взаимодействием их. Например, свойство атомов некоторых элементов «перетягивать» на себя электроны в молекуле, химики называют электроотрицательностью. Если у атома оторвать один электрон, оставшаяся его часть будет заряжена положительно с зарядом +е. Это – положительно заряженный ион. Он тоже может быть носителем заряда при протекании электрического тока.
Заряд электрона равен по модулю примерно е=1.66*10-19 Кл. Важно то, что это наименьший из возможных зарядов. Разделить его на части и отобрать у электрона невозможно. Говорят, что заряд электрона фундаментален. Существование минимального заряда было понято Фарадеем еще при исследовании протекания тока через растворы солей. Однако сопоставить его с конкретной заряженной частицей удалось лишь при исследовании бета-излучения. В опытах Йоффе и Милликена (1918-1920г) было подтверждено, что заряд электрона наименьший, разделить его нельзя, и все заряды в природе кратны е (Перышкин §29). Поэтому сейчас ясно, что электрический заряд – это не какое-то электрическое вещество, а свойство некоторых видов элементарных частиц, как, например, масса.
По современным представлениям (рис 3), электрон в атоме не летает как шарик по орбите. Он просто есть (это изображено большим количеством минусов, поскольку мы не знаем, где он точно находится, чем больше минусы – тем вероятнее его встретить в этой точке). Он может изменить свое состояние в атоме и вообще покинуть его.