Первые представления о сложном строении атомов возникли после открытия электрона — отрицательно заряженной микрочастицы. Открытию электрона предшествовали исследования так называемых «катодных лучей». Катодные лучи представляли как излучение, идущее из катода геислеровых трубок — стеклянных трубок с разреженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. В трубку впаивали электроды — катод и анод, на которые подавали электрическое напряжение. Вильям Гит- торф (1844—1915) обнаружил флуоресценцию стенок трубки, в которой происходил разряд. Явление флуоресценции объяснили действием некоторого излучения, находящегося внутри трубки и названного «катодными лучами». Обстоятельное изучение катодных лучей предпринял английский исследователь Уильям Крукс (1832—1919), показавший, что они распространяются прямолинейно, оказывают механическое воздействие и отклоняются магнитным полем. Крукс считал, что катодные лучи представляют собой лучистую материю — некоторое четвертое состояние вещества. Крукс сделал также пророческое предположение: 270 2. Микромир Жак Перрен «При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем наконец в своем распоряжении «окончательные» частицы, которые можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной... Мы определенно вошли здесь в область, где материя и энергия кажутся слитыми воедино». Исследования Жака Перрена (1870—1942) показали, что катодные лучи — это отрицательные электрические заряды. Перрен поместил перед катодом разряженной трубки на расстоянии 10 см закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием, расположенным против катода. Цилиндр соединялся с электроскопом. Пучок лучей, проникающий в цилиндр, заряжал его отрицательно. Если отклонить катодные лучи магнитным полем от отверстия в цилиндре, электроскоп оставался незаряженным. Год 1895, когда был проведен этот опыт Перрена, считают годом рождения электроники. Однако честь открытия электрона принадлежит Джозефу Джону Томсону (1856—1940). Он несколько видоизменил опыт Перрена, поместив цилиндр внутри газоразрядной трубки не перед катодом, а сбоку. При воздействии на катодные лучи магнитом они искрив- Джозеф Джон Томсон Л лялись, падая в цилиндр. Одновременно смещалось и флуоресцирующее пятно на стенке трубки — заряд оказался неотделимым от катодных лучей. Первые опыты Томсона относятся к 1897 г. Следующим этапом исследований Томсона стало определение скорости движения частиц и отношения электрического заряда частицы, несущей заряд к массе этой частицы. Идея опыта Томсона заключается в следующем (рис. 3.7). Допустим, частица движется в электрическом поле, напряженностью Ё, создаваемом заряженными пластинами Aw. В. Траектория отрицательно заряженной частицы откло- л с ii у- Ч в с Т + \ шкала V V \ V- i h л Рис. 3.7. Схема опыта Томсона няется в сторону положительно заряженной пластины В под действием силы F3 — дЁ, где q — заряд частицы, Ё — вектор напряженности электрического поля. Это отклонение может быть уравновешено с помощью магнитного поля. Сила Лоренца, действующая на частицу, будет Fu = qvB. Для того, чтобы сила магнитного поля (сила Лоренца) была противоположно направлена по отношению 271 Раздел III. Современные проблемы и концепции естествознания к силе электрического поля F3, силовые линии магнитного поля (вектор магнитной индукции В) должны быть направлены перпендикулярно чертежу (по правилу левой руки). Если силы FM и ¥э равны, то частица не отклоняется, и флуоресцирующее пятно находится в центре (в нулевой точке отсчета). Из равенства сил следует, что скорость частицы v = Ё/В. Для измерения энергии, переносимой пучком в единицу времени, использовался термостолбик, помещенный внутрь трубки. Термостолбик обеспечивал измерение температуры, по изменению которой в единицу времени определялась поглощенная энергия. По значению этой энергии, отклонению пучка магнитным полем при отключенном электрическом поле и значению скорости частиц Томсон вычислил отношение заряда частицы q к ее массе т. Полученное отношение (q/m) не зависело ни от типа газа, ни от формы трубки, ни от скорости лучей, ни от материала трубки, то есть представляло собой фундаментальную постоянную. Аналогичное соотношение (q/m) было получено для иона водорода из данных по электролизу. Если предположить (как это сначала сделал Томсон, а затем доказал экспериментально), что заряды электричества, переносимые ионом водорода и частицей в катодных лучах равны, то выходит, что масса частиц в катодных лучах должна составлять не более, чем одну тысячную от массы атома водорода. Томсон описанные выше эксперименты по определению отношения (q/m) считал недостаточно точными. Он измерил это отношение для частиц, полученных с помощью фотоэффекта, и получил то же значение, что и для катодных лучей. В своих воспоминаниях Томсон пишет: «После длительного обсуждения экспериментов оказалось, что мне не избежать следующих заключений: 1. Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла. 2. Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и являются компонентами всех атомов. 3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода». Томсон называл эти частицы корпускулами, а электроном только заряд частицы, но впоследствии частицу катодных лучей стали называть электроном (греч. electron — «янтарь»). Для измерения заряда электрона Томсон провел сложнейшие эксперименты с камерой Вильсона. Чарльз Вильсон (1869— 1935) открыл, что в воздухе, перенасыщенном водяным паром, каждый ион становится центром конденсации пара. При конденсации возникают капельки воды, по которым можно обнаружить и проследить траектории движения заряженных частиц. Перенасыщение пара в камере Вильсона создается быстрым разрежением газа. Томсон получил значение q = 6,5 • 10"10 эл. стат. единиц. В 1909г. Милликен измерил величину заряда на капельках масла и получил значение q~A,l- 1010эл.ст.единиц. Современное значение величины заряда электрона q = 4,803 • 10"10 эл. ст. ед. = 1,601 • Ю-19 Кл. Масса электрона 272 2. Микромир Конрад Рентген si's*.f по современным данным m = 0,9107 • 10~27 г., что в 1840 раз меньше массы атома водорода. Поскольку электроны входят в состав атома, ученым предстояло создать модель атома. Эксперименты с разрядными трубками привели к еще одному важному открытию — были получены рентгеновские лучи. Вильям Конрад Рентген приступил к исследованию катодных лучей в надежде доказать их волновую природу. При проведении экспериментов в 1895 г. он обнаружил, что фотографические пластины, положенные вблизи разрядной трубки, оказывались засвеченными даже в том случае, когда разрядная трубка была завернута в черную бумагу. Вскоре Рентген обнаружил еще одно поразительное явление. Бумажный экран, смоченный раствором платиноси- неродистого бария и помещенный возле разрядной трубки, обернутой черным картоном, начинал светиться. Когда Рентген держал руку между экраном и трубкой, то на экране были видны тени костей на фоне белых очертаний кисти руки. Неизвестное излучение Рентген назвал Х-лучами. Впоследствии укрепился термин «рентгеновские лучи». Рентген обнаружил, что новое излучение возникает в том месте, где катодные лучи сталкиваются со стеклянной стенкой трубки, то есть в области флюоресценции. Последующие опыты показали, что Х-лучи возникают при торможении быстрых электронов любым препятствием, в частности металлическими электродами. Природа рентгеновских лучей была выявлена лишь спустя 15 лет после их открытия. Ведущая гипотеза основывалась на электромагнитной теории, согласно которой при быстром изменении скорости заряженного тела возникает электромагнитное излучение. Но экспериментально получить характерные оптические явления — отражение, дифракцию, преломление, поляризацию не удавалось. Но и этому обстоятельству электромагнитная теория давала рациональное объяснение: если предположить, что длина волны рентгеновского излучения весьма мала, то волновые явления невозможно обнаружить обычными средствами. Искусственно сделанные щели, на которых пытались получить дифракцию, оказывались слишком грубыми. Требовалась дифракционная решетка с расстоянием между щелями, соизмеримым с размером молекул. Немецкий физик Макс Лауэ (1879— 1959) предложил для получения дифракции рентгеновского излучения использовать оптические кристаллы, представляющие собой упорядоченные пространственные структуры, в которых атомы расположены на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга. Такие атомы образуют пространственную дифракционную решетку. Узкий пучок рентгеновских Макс Лауэ 273 Раздел III. Современные проблемы и концепции естествознания лучей, направленных на кристалл каменной соли, действительно дифрагировал. Дифракционная картина регистрировалась на фотопластинке, помещенной за кристаллом и защищенной от постороннего излучения. Исследования дифракционных картин позволили рассчитать длину волны рентгеновского излучения. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения, и при этом рентгеновские лучи давали целый спектр волн. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, присужденной ему 10 декабря 1901г. Альфред Бернард Нобель (1833—1896) занимался исследованиями взрывчатых веществ и достиг крупного успеха в этом деле. Им были получены патенты на динамит (1867г.) и другие взрывчатые вещества. Эксплуатация этих патентов принесла Нобелю огромное состояние, которое он завещал на учреждение международных ежегодных премий в областях физики, химии и физиологии (или медицины), премии в области литературы и премии мира. Присуждение премий началось в 1901г. и происходит ежегодно 10 декабря, в день смерти Нобеля. Нобелевские лауреаты при вручении им премий читают лекцию о своих работах. Вернемся к исследованиям Томсона. После анализа нескольких гипотетических вариантов устройства атома Томсон останавливается на модели, напоминающей, по ставшему расхожим выражению, «пудинг с изюмом»: положительный заряд атома распределен в достаточно большой области, возможно сферической, а электроны вкраплены в эту область. Лорд Кельвин поддержал и развил модель Томсона, полагая, что электроны располагаются по сферическим концентричным поверхностям. Модель Томсона не устояла перед экспериментальной проверкой, но поставила ряд важных вопросов и породила гипотезу о пропорциональности числа электронов в атоме атомному весу. В понимании строения атома большую роль сыграли исследования, проведенные Эрнестом Резерфордом (1871-1937). В 1908г. сотрудники Резерфорда Э. Марсден и X. Гейгер провели серию опытов по прохождению а-частиц через тонкие пластинки золота и других металлов. Схема опытов показана на рис. 3.8. Радиоактивный препарат, например радий, помещен внутрь свинцового цилиндра с узким каналом. Пучок а-частиц, выходящий из канала, падает на тонкую фольгу из золота или меди. Прошедшие фольгу частицы попадают на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение а-частицы с экраном вызывает свечение (сцинтилляцию), которую можно наблюдать в микроскоп. Установка помещалась в сосуд, из которого откачивался воздух. Если фольгу убрать, то сцинтилляции проходят только в узкой зоне, образующей на экране кружок малых размеров. При прохождении а-частиц через фольгу возникало их отклонение на значительные углы. Для расширения диапазона регистрации угловых отклонений частиц установка была модифицирова- стнцовыи цилиндр полупрозрачный , экран F 7 радий фольга микроскоп Рис. 3.8. Схема опыта по рассеянию а-частиц 274 2. Микромир Эрнест Резерфорд Джеймс Чедвик на. Эксперименты показывали, что основной поток ос-частиц проходит через фольгу по прямой траектории, как бы не встречая препятствий. Однако примерно 1/10000 из них испытывает сильное отклонение, достигающее 150°. Такое отклонение возможно лишь в том случае, если в центре атома имеется некое ядро чрезвычайно малых размеров, заряженное положительно и заключающее в себе основную часть массы атома. Траектория ос-частиц показана на рис. 3.9. По этим соображениям Резерфорд пришел к так называемой планетарной модели атома, качественное описание которой было дано еще до опытов Ре- зерфорда японским физиком Хантаро Нагаока (1865—1950). По модели атома Резерфорда— Нагаока положительный заряд сосредоточен в малом объеме — ядре, имеющим значительно меньшие размеры, чем атом. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Ядро атома водорода, вокруг которого вращается один единственный электрон, получило название протона. Ван ден Брейк (1870—1926) заметил, что данные по рассеянию се-частиц лучше объясняются моделью Резерфорда — Нагаоки, если предположить, что ядерный заряд равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Эта идея была вскоре укреплена Генри Мозли (1887—1915), исследовавшим частоту спектральных линий ряда атомов периодической системы и установившим, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра». Погибший в Первую мировую войну Генри Мозли был ассистентом Резерфорда, когда начал свои исследования рентгеновских лучей. Первое точное измерение ядерных зарядов некоторых элементов по отклонению а-частиц произвел Джеймс Чедвик (1891—1974). Он нашел, что ядерные заряды для меди, серебра и платины равны 29,3; 46,3; 77,4 соответственно, а их номера в таблице Менделеева: 29; 47 и 78. Это соответствие практически подтверждало гипотезу Ван ден Брейка. ^ "а Рис. 3.9. Траектории а-частиц вблизи ядра 275 Раздел III. Современные проблемы и концепции естествознания Простая и наглядная планетарная модель атома имела существенный недостаток — она не объясняла устойчивость атома. Электроны, движущиеся по орбитам и имеющие значительное ускорение, по законам электродинамики должны излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии, что приводит к уменьшению радиуса орбиты, вследствие чего за ничтожное время (порядка 10" 8с) электрон упадет на ядро, нейтрализует или даже разрушит его, то есть атом прекратит свое существование. В действительности ничего этого не происходит, атомы существуют в невозбужденном состоянии неограниченно долго, не излучая электромагнитных волн. Вновь оказалось, что к модели атома классическая физика неприменима. Выход из создавшегося положения был найден в 1913 г. датским физиком Нилъсом Бором (1885—1962) на пути развития квантовых представлений. Нильс Бор родился в Копенгагене в профессорской семье. Любимыми предметами Нильса в школе были физика и история, любимыми увлечениями — поэзия и футбол. В 1903г. Нильс Бор поступил в один из крупнейших в Европе Копенгагенский университет. Вместе с ним в университете учился и младший брат Нильса Херальд. Разница между ними в возрасте составляла всего два года, но младший брат во многом опережал старшего. Херальд учился лучше Нильса и, что особенно казалось важным, лучше играл в футбол. Оба брата в студенческие годы были заядлыми футболистами, но если Нильс не поднялся в своих успехах выше запасного вратаря, хотя и в первоклассных командах, то Херальд играл за сборную Дании и стал серебряным медалистом на Олимпийских играх 1908г. в Англии. Докторскую диссертацию Херальд подготовил быстрее Нильса и успешно защитил ее в 1910г. Вскоре после защиты диссертации Херальд внезапно скончался. Защита диссертации Нильсом Бором, до которой не дожил Херальд, состоялась в мае 191 Зг. Перед защитой диссертации Н. Бор проходил стажировку у Д.Д. Томсона в Кембридже и в лаборатории Резерфорда в Манчестере. Именно в этот период Н. Бор соприкоснулся с самыми передовыми теориями атома того времени и включился в исследования проблем строения атома. Покидая Манчестер, Бор оставил Резерфорду «Памятную записку», в которой он указывал на необходимость квантового подхода к проблеме строения атома. Бор увидел, как можно придать устойчивость планетарной модели и одновременно объяснить линейчатый спектр излучения атомов. Бор в виде постулатов сформулировал подход к проблеме планетарной модели. Вот как излагает эти постулаты, сегодня хорошо известные, сам автор: «В форме, в которой мы будем в дальнейшем применять принципы квантовой теории, за основу в наших рассуждениях будет принят постулат: атомная система, испускающая спектр, состоящий из четких линий, может находиться в определенных различных состояниях, которые мы будем называть стационарны- 276 2. Микромир ми состояниями. Система может пребывать в таком состоянии, по крайней мере, в течение некоторого времени, не излучая. Излучение имеет место только при полном переходе из одного стационарного состояния в другое и представляет собой всегда ряд простых гармонических волн. В этой теории частота излучения, испускаемого при таком процессе, не определяется непосредственно движением электронов в атоме подобно тому, как это имеет место в классической электродинамике. Вместо этого частота просто связана с общим количеством энергии, излученным во время перехода: произведение частоты v на постоянную Планка h равно разности значений £" и Е" энергии атома в обеих стадиях интересующего нас процесса, так что hv— Е' — Е"». Таким образом, постулаты Бора противоречат классическим представлениям по нескольким статьям. Согласно классической механике энергия движущихся электронов может быть любой — Бор квантует энергию. Бор допускает возможность ускоренного движения электрона без излучения электромагнитных волн — это противоречит электродинамике Максвелла. И наконец, особенно радикальным следствием из теории Бора оказалась независимость частоты излучения от частоты периодического движения электрона, что также в корне противоречит классической электродинамике. Свою теорию Бор успешно применил к строению атома водорода — простейшего атома. Но построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия ему не удавалось. Теория Бора была внутренне противоречива. С одной стороны, Бор стоял на классических позициях механики и электростатики, с другой стороны, он использовал квантовые представления, не согласующиеся с классическими. И все же постулаты Бора оказались правильными. Они стали следствием квантовой механики, тогда только зарождавшейся. За создание первой квантовой модели атома Бору была присуждена Нобелевская премия по физике за 1922 г. Любопытно, что текст своей нобелевской лекции Бор забыл взять с собой, и ему пришлось импровизировать на церемонии вручения. Вообще, забывчивость едва не стоила Бору жизни. Во время Второй мировой войны в 1943 г. Бор был приглашен в Англию. Во время перелета произошел такой случай. За Бором был прислан военный самолет — маленький бомбардировщик. Для пассажира было возможно только одно место в самолете — бомбовый отсек. Бора облачили в костюм пилота, на него надели парашют и вручили ракетницу для подачи сигнала в случае, если придется совершить экстренную посадку. Полет проходил на большой высоте. Бор забыл включить кислородный прибор и потерял сознание. В полете предпринять что — либо было невозможно, но Бор, к счастью, остался жив. При посадке в Шотландии он очнулся. Однако вскоре пришло сообщение, что сбит самолет, на котором летел его сын. Бор вновь пережил страшные минуты, но, к счастью для него, оказалось, что в последний момент сына Н. Бора с кем-то поменяли, и он вскоре прибыл в Шотландию. После войны Бор вернулся в Данию. Бор имел тесные контакты с российскими учеными. В 1924 г. он был избран членом-корреспондентом Российской Академии наук, трижды Бор посещал СССР, последний раз в 1961г. Скончался внезапно, у себя дома во время приема гостей.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Модели атомов. Н. Бор» з дисципліни «Історія науки»
