Ядерная модель атома

108. Радиоактивность
1896 г. Французский физик А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, установил, что урановая соль испускает
лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево,
тонкие металлические пластины, ионизируют воздух.
1897-98 г. Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, исследуя урановые
руды, обнаружила новые химические элементы: полоний,
радий. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых
изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и
излучением энергии, называется
естественной радиоактивностью. Все химические элементы, начиная
с порядкового номера 83, являются радиоактивными.
Виды радиоактивных излучений
1898 г. подвергая радиоактивное излучение действию магнитного
поля,Э. Резерфорд выделил два вида лучей: α-лучи — тяжелые
положительно заряженные частицы (ядра атомов гелия) и β-лучи —
легкие отрицательно заряженные частицы (тождественны электронам).
В 1900 г. П. Виллард открыл гамма-лучи — нейтральное излучение,
где масса покоя равна нулю (аналогично свойствам света, но
). После установления Резерфордом структуры атома стало ясно, что
радиоактивность представляет собой ядерный процесс.1902 г. Э.
Резерфорд и Ф. Содди доказали, что в результате радиоактивного
распада происходит превращение атомов одного химического
элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое
испусканием различных частиц и сформулировали правила смещения.
Строение атома
Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов,
зародилась свыше двух тысячелетий тому назад. Сторонники
атомистической теории (Демокрит, Левкипп, Анаксагор,
Анаксимандр, Эпикур, Лукреций Кар) рассматривали атом как
мельчайшую неделимую частицу и считали, что все многообразие
мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц —
атомов. Демокрит: существует предел деления атома. Аристотель:
делимость вещества бесконечна. Париж, 1626 г.: учение об атоме
запрещено под страхом смерти. Сторонниками атомистической теории
были М.В. Ломоносов, Ж. Гей-Люссак, Д. Дальтони др.
Толчком к подробному изучению строения атома послужили:
- открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген);
- открытие радиоактивности и новых радиоактивных элементов (1896
г.,А. Беккерель, М. и П. Кюри);
- открытие электрона (1896 г., Дж. Дж. Томсон).
Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В.
Вебером в 1896 г., развил X. Лоренц: электроны входят в состав
атома. Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил
модель атома в виде положительно заряженного шара радиусом 1010
м. в котором плавают электроны, нейтрализующие положительный
заряд.
Ядерная модель атома
Экспериментальная проверка модели Томсона была осуществлена в
1911 г. английским физиком Э. Резерфордом.
Идея опыта заключалась в изучении рассеяния α-частиц (заряд +2е,
масса 6,64.10-27 кг) на атомах. α-частицы были выбраны, т.к. их
кинетическая энергия много больше кинетической энергии электронов
(β-лучи) и, в отличие от γ-лучей они имеют электрический заряд.
Пучок α-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Золото
было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно
получить фольгу толщиной практически в один атомный слой. Опыты
были повторены и на других материалах
Э. Резерфорд и его помощники Г. Гейгер и Э. Марсден обнаружили,
что какая-то частьa-частиц отклоняется на довольно значительный
угол от своего первоначального направления, а небольшая часть
отражается от фольги. Но согласно модели атома Томсона эти aчастицы при взаимодействии с атомами фольги отклоняются на малые
углы, порядка 2°.
Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с
его опытами. Обобщая результаты своих опытов, Резерфорд
предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:
1. Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с
размерами самого атома (~ 10-15 м).
2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
3. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему
объему атома и компенсирует положительный заряд ядра.
Расчеты показали, что a-частицы, которые взаимодействуют с
электронами в веществе, почти не отклоняются.
Только некоторые a-частицы проходят вблизи ядра и испытывают
резкие отклонения. Если между зарядами действует кулоновская
сила
ядро
или потенциальная энергия системыa-частица и
, то α-частица будет отброшена назад.
При расчете учитывают, что
, где e - заряд электрона;
, где Z - зарядовое число, равное количеству электронов в атоме;
диаметр ядра 10-15 - 10-14 м, атома 10-10 м.
Однако предложенная модель строения атома не позволила объяснить
устойчивость атома:
- ускоренное движение электрона согласно теории Максвелла
сопровождается электромагнитным излучением, поэтому энергия
электрона уменьшается, и он движется по спирали, приближаясь к
ядру. Казалось бы, электрон должен упасть на ядро (расчет
показывает, что это должно произойти за 10-8 с), так как при движении
по спирали уменьшается энергия электрона, в действительности атомы
являются устойчивыми системами;
- спектр излучения при этом должен быть непрерывным (должны
присутствовать все длины волн). На опыте спектр получается
линейчатым;
- нет ответа на вопрос о строении ядра. Если в него входят только
положительные частицы, то почему они не отталкиваются?