Строение атома Резерфорда и Бора

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АТОМ РЕЗЕРФОРДА

1.1 Эрнест Резерфорд

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в семье новозеландского фермера. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила 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 «Намагничение 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 Д.Д.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 электропроводности 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 газового 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».

Открытие радиоактивности  определило научный путь Резерфорда. В 1898 году он приступил к тщательному изучению свойств уранового излучения. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность». Она была опубликована в 1899 году, когда Резерфорд был профессором кафедры теоретической физики университета МакГилла в Монреале (Канада), куда он прибыл в сентябре 1898 года.

В Монреале Резерфорд пробыл с 1898 по 1907 годы. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация тория 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 тщательное исследование природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по прохождению a-частиц через вещество.

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

В Манчестере Резерфорд  развернул кипучую деятельность, привлекая молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников был немецкий физик Ганс Гейгер (1882-1945), создатель первого счетчика элементарных частиц – счетчика Гейгера. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден, К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В Манчестер  в 1912 году приехал Нильс Бор, который позже вспоминал об этом периоде: «В это время вокруг Резерфорда группировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью как физика и редкими способностями как организатора научного коллектива».

В этой атмосфере  коллективного научного творчества родились крупные научные достижения Резерфорда, из которых в первую очередь следует отметить разгадку природы a-частиц и открытие ядерного строения атома. Сюда же следует присоединить и знаменитые статьи Бора по квантовой теории планетарного атома. В Манчестере было положено начало квантовой и ядерной физике. В 1908 г. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии.

Плодотворная  работа резерфордовской группы в  Манчестере была прервана войной. Война  разбросала дружный коллектив по разным, враждующим друг с другом странам. Сам Резерфорд был привлечен к военным исследованиям.

1.2 Модель строения  атома Резерфорда

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 сцинтилляционным вспышкам. Из их 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 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.

Суть планетарной модели строения атома Резерфорда можно свести к следующим утверждениям:

1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их число равно положительному заряду ядра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 АТОМ БОРА

2.1 Нильс Бор

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. В 1903 году Бор поступил в Копенгагенский университет. Еще в студенческие годы Бор выполнил конкурсную работу по поверхностному натяжению. Работа была удостоена золотой медали Датской Академии наук. В 1909 году, спустя два года после окончания Бором университета, эта работа – «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» – была опубликована в трудах Лондонского Королевского общества.

Весной 1911 года состоялась защита докторской диссертации Бора на тему «Анализ электронной теории металла», в сентябре того же года Бор приехал на стажировку в Кембридж к Д.Д.Томсону. Томсон в это время занимался анализом положительных лучей. Им был разработан метод точного анализа – метод парабол, с помощью которого он впервые обнаружил у неона существование двух разновидностей атомов: с атомным весом 20 и 22. Исследования Томсона были обобщены им в монографии «Лучи положительного электричества и их применение к химическому анализу», вышедшей в 1913 году. Томсон поручил Бору провести эксперимент с положительными лучами. Бор собрал вакуумную установку, однако дело дальше не пошло, и он начал готовить к изданию свою докторскую диссертацию. Томсон отнесся без внимания к работе Бора и не прочитал ее.

В том же, 1911 году, когда Бор приехал в Кембридж, сотрудник Томсона Чарльз Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть частицу по оставляемому ею туманному следу. Резерфорд, приехавший на традиционный ежегодный обед в Кембридж, в своей речи с энтузиазмом отозвался о приборе Вильсона  и полученных первых результатах. Бор, который впервые увидел Резерфорда на этом обеде, вспоминал, «что наибольшее восхищение у Резерфорда, как это он подчеркивал в своей речи, вызвала настойчивость, с которой Вильсон (в то время они уже были связаны тесной дружбой в Кавендишской лаборатории) продолжал свои исследования по образованию тумана с все более и более усовершенствованными аппаратами». Великий исследователь ядра ясно видел возможности, открываемые камерой Вильсона в изучении ядерных процессов. Позднее в том же Кембридже ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897-1974) получил вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота a-частицей, первой ядерной реакции, открытой Резерфордом.

Встреча с Резерфордом  произвела на Бора огромное впечатление. Вскоре по своим личным делам он побывал в Манчестере, и ему  удалось встретиться и побеседовать с Резерфордом. «Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузиазмом говорил о многих новых перспективах развития физики, он любезно согласился на мою просьбу о том, чтобы присоединиться к группе, работающей в его лаборатории, после того как ранней весной 1912 года я должен был закончить свои занятия в Кембридже; там я был сильно увлечен оригинальными идеями Д.Д.Томсона, касающимися электронного строения атомов».

В апреле 1912 года Бор приехал  в Манчестер. История позаботилась о том, чтобы создатель квантовой  модели атома поработал сперва с  автором первой модели атома, а затем приехал к автору планетарной модели, чтобы на основе этой модели создать теорию атома Резерфорда–Бора. Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории, начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их особенностей и различий.

По мнению Бора принципиальная разница между моделями атома, предложенными Томсоном и Резерфордом, заключалась в том обстоятельстве, что силы, действующие на электрон в атоме Томсона, допускают определенные конфигурации и движение элементов, при которых система находится в устойчивом равновесии: такие конфигурации, очевидно, не существуют во второй модели атома. Природу этой разницы можно сделать предельно ясной, если заметить, что среди величин, характеризующих первый атом, фигурирует некоторая величина – радиус положительной сферы размерности длины и того же порядка, что и линейные размеры атома, в то время как среди величин, характеризующих второй атом, – зарядов и масс элементов положительного ядра – такой длины не только не имеется, но она не может быть определена только с помощью этих последних величин.

Иными словами  в модели Д.Д.Томсона определенность пространственных размеров атома вытекает из жесткой количественной определенности элементарного свойства положительно заряженной части атома, что было естественным с точки зрения классического понимания категории структуры. В модели же Резерфорда определенность размеров атома требовала количественной определенности элементарного отношения (расстояние между ядром и самым удаленным электроном), в то время как классическое понимание категории структуры устанавливало только качественную определенность элементарных отношений.

Кроме того, с  моделью Резерфорда было не совместимо допущение о квазиупругом характере сил связи электрона с ядром, поскольку все силы взаимодействия между частями атома изменялись согласно закону Кулона обратно пропорционально квадрату расстояния. Модель Томсона, в которой электрон находился внутри положительно заряженного «ядра», допускала существование таких сил.