Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Мадэль Томсана. He адразу вучоныя прыйшлі да правільных уяўленняў аб будове атама. Першая мадэль атама была прапанавана англійскім фізікам Дж. Дж. Томсанам, які адкрыў электрон. На думку Томсана, дадатны зарад атама займае ўвесь аб’ём атама і размеркаваны ў гэтым аб’ёме з пастаяннай шчыльнасцю. Найпрасцейшы атам — атам. вадароду — з’яўляецца дадатна зараджаным шарам радыусам каля 108 см, унутры якога знаходзіцца электрон. У больш складаных атамаў у дадатна зараджаным шары знаходзіцца некалькі электронаў, так што атам падобны да кекса, у якім ролю разынак адыгрываюць электроны.
Аднак мадэль атама Томсана аказалася ў поўнай супярэчнасці з доследамі па даследаванню размеркавання дадатнага зараду ў атаме. Гэтыя доследы, праведзеныя ўпершыню вялікім англійскім вучоным Э. Рэзерфордам, адыгралі вялікую ролю ў разуменні будовы атама.
Доследы Рэзерфорда. Маса электронаў у некалькі тысяч
199
Рэзерфорд Эрнест (1871—1937) — вялікі англійскі фізік, ураджэнец Новай Зеландыі. Сваімі эксперымемтальнымі адкрыццямі Рэзерфорд заклаў асновы сучаснага вучэння аб будове атама і радыеактыўнасці. Ен першым даследаваў састаў выпраменьванняў радыеактыўных рэчываў. Рэзерфорд адкрыў існаванне атамнага ядра і ўпершыню ажыццявіў штучнае ператварэнне атамных ядзер. Усе пастаўленыя ім доследы насілі фундаментальны характар, вызначаліся выключнай прастатой і яснасцю.
разоў меншая за масу атамаў. Паколькі атам у цэлым нейтральны, то, значыць, асноўная маса атама прыпадае на яго дадатна зараджаную частку.
Для эксперыментальнага даследавання размеркавання дадатнага зараду, а значыць, і масы ўнутры атама Рэзерфорд прапанаваў у 1906 г. прымяніць зандзіраванне атама з дапамогай ачасціц. Гэтыя часціцы ўзнікаюць пры распадзе радыю і некаторых іншых элементаў. Іх маса прыкладна ў 8000 разоў большая за масу электрона, а дадатны зарад роўны па модулю падвоенаму зараду электрона. Гэта не што іншае, як поўнасцю іанізаваныя атамы гелію. Скорасць ачасціц вельмі вялікая: яна складае '/is скорасці святла.
Гэтымі часціцамі Рэзерфорд бамбардзіраваў атамы цяжкіх элементаў. Электроны з прычыны сваёй малой масы не могуць прыметна змяніць траекторыю ачасціцы, падобна да таго як каменьчык у некалькі дзесяткаў грамаў пры сутыкненні з аўтамабілем не можа прыметна змяніць яго скорасць.
Рассейванне (змена напрамку руху) ачасціц можа выклікаць толькі дадатна зараджаная частка атама. Такім чынам, па рассейванню ачасціц можна вызначыць характар размеркавання дадатнага зараду і масы ўнутры атама. Схема доследаў Рэзерфорда паказана на рысунку 165.
Радыеактыўны прэпарат, напрыклад радый, змяшчаўся ўнутр свінцовага цыліндра 1, уздоўж якога быў высвідраваны вузкі канал. Пучок ачасціц з канала падаў на тонкую фольгу 2 з даследуемага матэрыялу (золата, медзь і інш.). ГІасля рассейвання ачасціцы траплялі на паўпразрысты экран 3, пакрыты сульфідам цынку. Сутыкненне кожнай часціцы з экранам суправаджалася ўспышкай святла (сцынтыляцыяй), якую можна было назіраць у мікраскоп 4. Увесь прыбор змяшчаўся ў сасудзе, з якога выпампавана паветра.
Пры добрым вакууме ўнутры прыбора ў адсутнасці фольгі на экране ўзнікаў светлы кружок, які складаўся са сцынтыляцый, выкліканых тонкім пучком ачасціц. Але калі на шляху пучка змяшчалі фольгу, то ачасціцы зза рассейвання размяркоўваліся на экране па кружку большай плошчы.
200
Рыс. 165
Рыс. 166
Мадыфікуючы эксперыментальную ўстаноўку, Рэзерфорд паспрабаваў выявіць адхіленне ачасціц на вялікія вуглы. Зусім нечакана выявілася, што невялікі лік ачасціц (прыкладна адна з дзвюх тысяч) адхіліўся на вуглы, большыя за 90°. Пазней Рэзерфорд прызнаўся, што, прапанаваўшы сваім вучням эксперымент па назіранню рассейвання ачасціц на вялікія вуглы, ён сам не верыў у станоўчы вынік. «Гэта амаль гэтак жа неверагодна,— гаварыў Рэзерфорд,— як калі б вы выстралілі 15цалёвым снарадам у кавалак тонкай паперы, а снарад вярнуўся б да вас і нанёс вам удар».
На самай справе, прадбачыць гэты вынік на аснове мадэлі Томсана было нельга. Пры размеркаванні па ўсяму атаму дадатны зарад не можа стварыць дастаткова інтэнсіўнае электрычнае поле, здольнае адкінуць ачасціцу назад. Максімальная сіла адштурхвання вызначаецца па закону Кулона:
дзе qa — зарад ачасціцы, q — дадатны зарад атама, R — яго радыус, ео — электрычная пастаянная. Напружанасць электрычнага поля раўнамерна зараджанага шара максімальная на яго паверхні і памяншаецца да нуля па меры прыбліжэння да цэнтра шара. Таму, чым меншы радыус R, тым большая сіла, якая адштурхвае ачасціцы.
Вызначэнне размераў атамнага ядра. Рэзерфорд зразумеў, што ачасціца магла быць адкінута назад толькі ў тым выпадку, калі дадатны зарад атама і яго маса сканцэнтраваны ў вельмі малой вобласці прасторы. Так Рэзерфорд прыйшоў да ідэі атамнага ядра — цела малых размераў, у якім сканцэнтраваны амаль уся маса і ўвесь дадатны зарад атама.
На рысунку 166 паказаны траекторыі ачасціц, якія пралятаюць на розных адлегласцях ад ядра.
Падлічваючы лік ачасціц, рассеяных на розныя вуглы, Рэзерфорд змог ацаніць размеры ядра. Аказалася, што ядро мае дыяметр парадку 10 —12— 10~13 см (у розных ядзер дыяметры розныя). Размер жа самога атама 10~8 см, г. зн. у 10—100 тыс. разоў перавышае размеры ядра. Пазней удалося вызначыць і зарад ядра. Пры ўмове, што зарад электрона прыняты за адзінку, зарад ядра дакладна роўны нумару дадзенага хімічнага элемента ў перыядычнай сістэме Мендзялеева.
201
0Планетарная мадэль атама. 3 доследаў Рэзерфорда непасрэдна вынікае планетарная мадэль атама. У цэнтры размешчана дадатна зараджанае атамнае ядро, у якім сканцэнтравана амаль уся маса атама. У цэлым атам нейтральны. Таму лік унутрыатамных электронаў, як і зарад ядра, роўны парадкаваму нумару элемента ў перыядычнай сістэме. ЗраРьіс 167 зумела, што знаходзіцца ў спакоі электроны
ўнутры атама не могуць, паколькі яны ўпалі б на ядро. Яны рухаюцца вакол ядра, падобна да таго як планеты абарачаюцца вакол Сонца. Такі характар руху электронаў вызначаецца дзеяннем кулонаўскіх сіл з боку ядра.
У атаме вадароду вакол ядра абарачаецца ўсяго толькі адзін электрон. Ядро атама вадароду мае дадатны зарад, роўны па модулю зараду электрона, і масу, прыкладна ў 1836,1 раза большую за масу электрона. Гэта ядро атрымала назву пратона і стала разглядацца як элементарная часціца. Размер атама — гэта радыус арбіты яго электрона (рыс. 167).
Простая і наглядная планетарная мадэль атама мае прамое эксперыментальнае абгрунтаванне. Яна здаецца зусім неабходнай для тлумачэння доследаў па рассейванню ачасціц. Але на аснове гэтай мадэлі нельга растлумачыць факт існавання атама, яго ўстойлівасць. Рух жа электронаў па арбітах адбываецца з паскарэннем, прычым даволі не малым. Зарад, які рухаецца паскорана, па законах электрадынамікі Максвела павінен выпраменьваць электрамагнітныя хвалі з частатой, роўнай частаце яго абарачэння вакол ядра. Выпраменьванне суправаджаецца стратай энергіі. Трацячы энергію, электроны павінны набліжацца да ядра, падобна да таго як спадарожнік набліжаецца да Зямлі пры тармажэнні ў верхніх слаях атмасферы. Як паказваюць строгія разлікі, заснаваныя на механіцы Ньютана і электрадынаміцы Максвела, электрон за мізэрна малы час (парадку 108 с) павінен упасці на ядро. Атам павінен спыніць сваё існаванне.
\ ўапРаЎДнасЧІ нічога падобнага не адбываецца. Атамы ўстойлівьія і ў няўзбуджаным стане могуць існаваць неабмежавана доўга, зусім не выпраменьваючы электрамагнітныя хвалі.
He ўзгадняльны з доследам вывад аб непазбежнай гібелі атама з прычыны страты энергіі на выпраменьванне — гэта вынік прымянення законаў класічнай фізікі да з’яў, якія адбываюцца ўнутры атама. Адсюль вынікае, што даз’яў атамных маштабаў законы класічнай фізікі непрымянімыя.
Рэзерфорд стварыў планетарную мадэль атама: электроны абарачаюцца вакол ядра, падобна да таго як планеты абарачаюцца вакол Сонца. Гэта мадэль простая, абгрунтавана эксперыментальна, але не дазваляе растлумачыць устойлівасць зтзмэу.
202
Бор Нільс (1885—1962) — вялікі дацкі фізік. Стварыў першую квантавую тэорыю атама і затым прыняў самы актыўны ўдзел у распрацоўцы асноў квантавай механікі. Разам з гэтым Бор унёс вялікі ўклад у тэорыю атамнага ядра і ядзерных рэакцый. Ен, у прыватнасці, развіў тэорыю дзялення атамных ядзер, у працэсе якога вылучаецца велізарная энергія. У Капенгагене Бор стварыў вялікую інтэрнацыянальную школу фізікаў і многа зрабіў для развіцця супрацоўніцтва паміж фізікамі ўсяго свету. Бор актыўна ўдзельнічаў у барацьбе супраць атамнай пагрозы чалавецтву.
a 1. Чаму адмоўна зараджаныя часціцы атама не аказваюць прыметнага ўплыву на рассейванне ачасціц? 2. Чаму ачасціцы не маглі 6 рассейвацца на вялікія вуглы, калі б дадатны зарад атама быў размеркаваны па ўсяму яго аб'ёму? 3. Планетарная мадэль атама не ўзгадняецца з законамі класічнай фізікі. Чаму?
§ 73. КВАНТАВЫЯ ПАСТУЛАТЫ БОРА.
МАДЭЛЬАТАМА ВАДАРОДУ ПА БОРУ
Выхад з вельмі цяжкага становішча быў знойдзены ў 1913 г. дацкім фізікам Нільсам Борам на шляху далейшага развіцця квантавых уяўленняў аб працэсах у прыродзе.
Эйнштэйн ацэньваў зробленую Борам работу «як вышэйшую музычнасць у галіне думкі», якая заўсёды яго здзіўляла. Абапіраючыся на разрозненыя доследныя факты, Бор з дапамогай геніяльнай інтуіныі правільна ўгадаў сутнасць справы.
Пастулаты Бора. Паслядоўнай тэорыі атама Бор, аднак, не даў. Ен у выглядзе пастулатаў сфармуляваў асноўныя палажэнні новай тэорыі. Прычым і законы класічнай фізікі не адхіляліся ім безагаворачна. Новыя пастулаты хутчэй накладвалі толькі некаторыя абмежаванні на рухі, якія дапускаюцца класічнай фізікай руху.
Поспех тэорыі Бора быў тым не менш надзвычайным, і ўсім вучоным стала зразумела, што Бор знайшоў правільны шлях развіцця тэорыі. Гэты шлях прывёў пазней да стварэння стройнай тэорыі руху мікрачасціц — квантавай механікі.
Першы пастулат Бора гаворыць: атамная сістэма можа знаходзіцца толькі ў асобых стацыянарных, або квантавых, станах, кожнаму з якіх адпавядае пэўная энергія Еп; у стацыянарным стане атам не выпраменьвае.
Гэты пастулат супярэчыць класічнай механіцы, згодна з якой энергія электронаў, якія рухаюцца, можа быць любой. Супярэчыць ён і электрадынаміцы Максвела, таму што дапускае Mar
КНІГІ ОНЛАЙН
