Представления о строении атома до Резерфорда

Введение.

Мысль о том, что  вещество построено из мельчайших частиц, высказывалась еще древнегреческими учеными. Они-то и назвали эти  частицы атомами (от греческого слова, означающего «неделимый»). Древние греки предполагали, что атомы имеют форму правильных многогранников: куба («атомы земли»), тетраэдра («атомы огня»), октаэдра («атомы воздуха»), икосаэдра («атомы воды»). Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками и крючочками, атомы образуют твердые тела. Атомы воды гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких веществ обладают заусеницами. Воздух – это пустота, в которой носятся отдельные редкие атомы. Атомы огня острые и колючие, поэтому огонь жжется. Прошло почти более двадцати столетий, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества.

Представления о строении атома до Резерфорда.

Развитие исследований радиоактивности излучения, с одной  стороны, и квантовой теории –  с другой, привели к созданию квантовой  модели атома Резерфорда-Бора. Но созданию этой теории предшествовали попытки  построить модель атома на основе представлений классической электродинамики  и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока (1865-1950), другая английскому физику Дж. Дж. Томсону.

Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная часть атома, вокруг которой по установленным орбитам движутся «планеты» – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

«Система состоит  из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через  равные угловые интервалы и взаимоотталкивающиеся с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; в центре круга помещается большая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону». (Нагаока)

В атоме Томсона  положительное электричество «размазано»  по сфере, в которую вкраплены, как  изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При смещении из центра на электрон действует квазиупругая сила электростатического напряжения, под действием которой электрон совершает колебания. Частота этих колебаний определяется радиусом сферы, зарядом и массой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась несовместимой с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория «содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории».

В 1905 году В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких естествоиспытателей и  врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на трудность объяснения линейчатых спектров атома с точки зрения электронной теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Потому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находится в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много сомнительного».

Такой статической  моделью был атом Кельвина-Томсона. И эта модель была общепринятой по причинам, указанным Вином.

Модель атома как  планетарной системы приходила  в голову многим: о ней писал  Л. Пуанкаре, о ней говорили и Вин, и Перрен, который в своем докладе причислял себя к пионерам планетарной модели атома. Но эта модель наталкивалась на непреодолимую трудность, о которой говорил Вин, и потому уступила место модели Кельвина-Томсона.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают  модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют  в пользу планетарной модели. Факты  эти были открыты Резерфордом.

Атом  Резерфорда.

Эрнест Резерфорд  родился 30 августа 1871 года в семье  новозеландского фермера. Окончив  школу в Хавелоке, где в это время жила его семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года он сдал экзамен в Кентерберийский колледж – филиал Новозеландского университета в Крайчестере. Резерфорд окончил колледж в 1893 году с отличием и получил степень магистра по физике и математике. В это время Резерфорд занялся изучением магнитного действия электромагнитных волн. В 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничивание железа высокочастотными разрядами». В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж. Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.

Резерфорд, продолжая  свою работу над магнитным детектором, вместе с тем заинтересовался  исследованиями Томсона по электропроводимости  газов. В 1896 году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В 1897 году выходит в свет заключительная статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании нового разряда. В том же, 1897 году появляется его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами». Вероятно, Резерфорд и Томсон вообще были одними из первых ученых, проявивших интерес к рентгеновским лучам и считавших открытие Рентгена исключительно важным и многообещающим.

В воскресенье 1 марта 1896 года Анри Беккерель обнаружил, что  уран непрерывно испускает проникающее  излучение неизвестной природы, которая оказалась совершенно отличной от природы рентгеновских лучей. Тем самым он обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества.

Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело большой эффект в Кавендишской лаборатории, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением этих загадочных лучей. Сначала ему казалось, что существует какая-то связь между урановыми и рентгеновскими лучами. Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, производило ионизацию воздуха. Такое сходство в воздействии излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли об опытном сравнении рентгеновских и беккерелевых лучей, что могло дать наиболее достоверные и точные сведения об их физических свойствах. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность».

Опыты продолжались почти  год. Они показали, что сходства между  двумя исследовавшимися излучениями, несмотря на их одинаковое ионизирующее действие, нет. Резерфорд также смог убедиться также в том, что  предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки заявлению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаружило свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации.

В результате этих работ  Резерфорда были открыты a-частицы. Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: a-, b-частицы и g-лучи.

Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что a-частицы помогут исследовать структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения в атом.

В сентябре 1898 года Резерфорд  был приглашен в университет  Мак-Гила в Монреале (Канада) в качестве профессора кафедры теоретической физики. В Монреале он пробыл до 1907 года. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация теория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательные исследования природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по происхождению a-частиц через вещество.

Огромный размах научной  работы Резерфорда в Монреале принес ему славу первоклассного исследователя. Им было опубликовано как лично, так  и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность». Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период в его жизни.

Почти немедленно по прибытии в Манчестер Резерфорд  начал систематические исследования рассеяния a-частиц веществом. Он установил, что каждая a-частица, попадая на экран из сернистого цинка, создает вспышку света. Поэтому для исследования рассеяния a-частиц был сконструирован прибор, изображенный схематически на рис.1 (стр. 18). С помощью свинцового коллиматора выделялся узкий конус a-частиц из радиоактивного источника. Испытав рассеивание в золотой фольге, a-частицы ударялись затем в экран из сернистого цинка и регистрировались с помощью небольшого микроскопа, в который можно было наблюдать вспышки света. Вращая детектор, можно было изменять относительное число a-частиц, рассеянных под различными углами q. Прибор помещался внутри откачанной камеры с целью устранить поглощение a-частиц в воздухе. Эти опыты были проведены Гейгером и Марсденом под руководством Резерфорда. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.

Но наиболее поразительным  оказался факт, открытый Гейгером и  Марсденом в 1909 году, – существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть a-частиц (примерно одна из восьми тысяч) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь таким образом обратно к источнику. Тонкая пластина (толщиной примерно 4·10^-4 см) отбрасывала a-частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что a-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд по этому поводу говорил: «Это было самое невероятное событие, с которым мне когда-либо приходилось сталкиваться. Это было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

Одно из возможных  объяснений аномального рассеяния  состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающегося  вещества.

Согласно предложенной Томсоном модели атома, a-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы золота и только отдельные a-частицы могли слегка отклоняться в кулоновском поле электрона. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.

Когда a-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду a-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, оно движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния j.

7 марта 1911 года  Резерфорд сделал в философском  обществе в Манчестере доклад  «Рассеивание a- и b-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеивание заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, расположенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома a- и b-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».

Резерфорд рассчитал  вероятность такого отклонения и  показал, что она пропорциональна  числу атомов n в единице рассеивающего материала, толщине рассеивающей пластинки и величине b², выраженной следующей формулой: 
, где N_e–заряд в центре атома, Е–заряд отклоняемой частицы, m–ее масса, u–ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния j так, что число, рассеянных частиц на единицу площади пропорционально . Этот «закон косеканса» был проверен экспериментально Гейгером, и был найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд  атомного центра, который Резерфорд  положил равным ±N_e. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено,–писал Резерфорд,–но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда».

В 1913 году Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеивание частиц по производимым ими сцинтиляционным вспышкам. «Это была трудная, кропотливая работа, – характеризовал Резерфорд работу своих сотрудников, – так как нужно было считать много тысяч частиц. Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией». Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд еще в 1913 году считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Тем не менее классические модели строения атома страдали весьма глубокими недостатками. С их помощью никак не удавалось объяснить спектральные закономерности и устойчивость движения электронов внутри атома. Рано или поздно электроны в модели Резерфорда должны были прекратить движение, что прекращало существование атома. В действительности же атомы существовали, не обращая внимания на мрачные пророчества теории. Налицо было вопиющее противоречие между теорией и действительностью, причем противоречие на уровне самой исходной, самой бедной по содержанию – категорией существования. Спектральные закономерности еще можно было как-то надеяться вывести, представляя очень хитрым образом движение электронов вокруг ядра. Здесь же теория подрубалась под корень.