Доказательства сложной структуры атомов

Открытие электрона. Первые экспериментальные результаты, из которых можно было сделать вывод о сложной структуре атомов, о наличии внутри атомов электрических зарядов, были получены М. Фарадеем в 1883 г. при изучении законов электролиза.

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон в результате экспериментов по изучению электрического разряда в разреженных газах, фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии установил, что при соударениях атомов в плазме электрического разряда, при нагревании вещества или освещении его ультрафиолетовым светом из атомов любого химического элемента вырываются одинаковые отрицательно заряженные частицы. Эти частицы были названы электронами. Электрический заряд е отдельных электронов впервые был измерен в опытах Р. Милликена в 1909 г. Он оказался действительно одинаковым у всех электронов.

Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов - атома водорода. Открытие электрона и обнаружение электронов в составе атомов любого химического элемента было первым доказательством сложности атомов.

Периодический закон Менделеева. Открытие Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона поставило перед физикой вопрос о причинах повторяемости химических свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомной массы. Естественно было предположить, что увеличение массы атомов химических элементов связано с увеличением числа частиц, входящих в их состав. Периодическую повторяемость химических свойств элементов в таблице Д.И. Менделеева можно рассматривать как свидетельство периодической повторяемости основных особенностей внутренней структуры атомов по мере увеличения числа частиц, входящих в их состав.

Линейчатые спектры. Важным фактором, свидетельствующим о сложной внутренней структуре атомов, было открытие линейчатых спектров. Исследования показали, что при нагревании до высокой температуры пары любого химического элемента испускают свет, узкий пучок которого разлагается призмой на несколько узких пучков света различного цвета. Совокупность наблюдаемых при этом разноцветных линий называется линейчатым спектром испускания. Линейчатый спектр испускания каждого химического элемента не совпадает со спектром испускания ни одного другого химического элемента.

Каждая отдельная линия в линейчатом спектре излучения образуется светом с одной длиной волны. Следовательно, источник света с линейчатым спектром излучения испускает электромагнитные волны не со всевозможными частотами, а только с несколькими вполне определенными .

При пропускании белого света со сплошным спектром через пары вещества наблюдается возникновение темных линий на фоне сплошного спектра испускания. Темные линии расположены точно в тех местах, в которых наблюдаются светлые линии спектра излучения данного химического элемента. Такой спектр называется линейчатым спектром поглощения.

Линейчатые спектры поглощения свидетельствуют о том, что вещество в газообразном состоянии способно поглощать электромагнитное излучение только с такими частотами , какие имеются в линейчатом спектре излучения данного вещества.

Свет с линейчатым спектром излучения испускается веществом в газообразном атомарном состоянии при невысоких давлениях, т.е. при условии слабого взаимодействия атомов между собой. При таких условиях испускание квантов электромагнитного излучения является результатом процессов, происходящих внутри отдельных атомов.

После открытия электрона стала очевидной связь явлений излучения и поглощения света с наличием в них электронов. Действительно, свет - это электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Можно предположить, что при соударениях атомов электроны, имеющиеся внутри атомов, могут приобретать избыток энергии и затем излучать электромагнитные волны, совершая гармонические колебания внутри атомов. Различным длинам волн излучаемого света соответствуют различные частоты колебаний электронов внутри атомов. Следовательно, теория строения атома должна дать способы расчета длин волн в спектре любого химического элемента.

Радиоактивность. Еще одним доказательством сложности строения атомов явилось открытие явления радиоактивности. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель (1852-1908) производил опыты с солями урана. Он установил, что атомы урана испускают невидимые глазом излучения, способные проникать через бумагу или картон и вызывать почернение фотографической пластинки.

Явление испускания атомами невидимых проникающих излучений назвали радиоактивностью (от слова "радиус" - луч).

Польского происхождения физик Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и французский физик Пьер Кюри (1859-1906) доказали, что радиоактивные излучения испускаются не только атомами урана, но и атомами некоторых других элементов. По радиоактивному излучению ими были открыты два неизвестных ранее химических элемента - радий и полоний.

Исследования радиоактивного излучения показали, что радиоактивные атомы испускают не один, а три вида излучения различной физической природы. Эти излучения были названы альфа-, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи - потоком электронов, а гамма-лучи - потоком квантов электромагнитного излучения с очень малой длиной волны, порядка 10^-11-10^-13 м.

В результате радиоактивного распада, как впервые доказали в 1902 г. английские ученые Эрнест Резерфорд (1871-1937) и Фредерик Содди (1877-1956), происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента. Например, атом урана в результате радиоактивного распада превращается в два атома - атом тория и атом гелия. Открытие явления радиоактивного распада доказывало сложность внутренней структуры атомов, опровергало представление о неизменности, неразрушимости атомов.

Опыты по рассеянию альфа-частиц. Большие успехи в исследовании структуры атомов были достигнуты в опытах Резерфорда по изучению рассеяния быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом 1, направлялся на тонкую металлическую пластинку 2. За пластиной помещался экран 3, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц (рис. 302). Было обнаружено, что большинство альфа-частиц отклоняется от прямолинейного пути на углы не более 1-2°. Однако небольшая доля альфа-частиц испытывала отклонение на значительно большие углы.

Рис. 302

Модель атома Резерфорда. Рассеяние отдельных альфа-частиц на большие углы Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров. В этой центральной положительно заряженной части атома - атомном ядре - сосредоточена и почти вся масса атома. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию альфа-частиц нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетной системе. Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Радиус круговой орбиты самого далекого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель атома была названа планетарной моделью.

Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц.

Так как большая часть пространства в атоме между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, быстрые заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

При столкновениях с отдельными электронами быстрые заряженные частицы испытывают рассеяние на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случает, когда быстрая заряженная частица пролетает на очень близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля атомного ядра может произойти рассеяние заряженной частицы на любой угол до 180° (рис. 303).

Дата добавления: 2015-07-15