Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 203. Ядерная модель атома
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 203. Ядерная модель атома. В предыдущих параграфах мы
познакомились с данными о размерах и массах атомов. Перейдем теперь к вопросу о в н у т р е н н е м с т р о е н и и а т о м а. Изучению строения атома способствовало открытие явлений радиоактивности. Мы подробно остановимся на этих явлениях в гл. XXIII. Пока нам достаточно знать о радиоактивности сле- дующее. Некоторые элементы, расположенные в конце периодической системы Д. И. Менделеева, обладают способностью испускать быстрые заряженные частицы, называемые альфа-частицами (α-частицами). Опыты показали, что α-частицы представляют собой ионизованные атомы гелия. Они несут положительный электрический заряд, равный 2e, и обладают массой 4 а. е. м. Обнаруживаться α-частицы могут по различным своим действи- ям, например по действию на люминесцирующие экраны. При ударе даже одной быстрой α-частицы об экран, покрытый люми- несцирующим веществом (например, сернистым цинком), возни- кает кратковременная вспышка света, называемая сцинтилляци- ей. Сцинтилляции легко замечаются глазом, в особенности при наблюдении в микроскоп с небольшим увеличением, α-частицы вылетают из радиоактивных атомов со скоростью, превышающей 10 000 км/с. Благодаря своей громадной скорости α-частицы при столкновениях с атомами могут проникать внутрь последних. Этим удается воспользоваться, чтобы получить сведения о внут- реннем устройстве атома. Рассмотрим следующий опыт (рис. 355). Перед источником α-частиц 1 помещена диафрагма 2 с небольшим отверстием
476 Гл. XXII. Строение атома в центре, α-частицы, попадающие на материал диафрагмы, задер- живаются; α-частицы, попадающие в отверстие, проходят через него в виде узкого пучка. В месте попадания пучка α-частиц на прозрачный люминесцирующий экран 3 образуется светящееся пятно, представляющее собой сцинтилляции, возникающие под Рис. 355. Наблюдение сцинтилляций, вызываемых α -частицами: 1 — источник α -частиц, 2 — диафрагма с небольшим отверстием, 3 — лю- минесцирующий экран, 4 — микроскоп для наблюдения сцинтилляций ударом каждой отдельной α-частицы. Так как число частиц, попадающих на экран за 1 с, велико, то отдельные сцинтилляции сливаются для наблюдателя в световое пятно. Поместим перед экраном тонкий слой какого-либо вещества, например золотую фольгу, толщиной примерно 1 мкм. Мы уви- дим (рис. 356), что интенсивность центрального светящегося пятна уменьшится, правда незначительно. В то же время появит- Рис. 356. Рассеяния α -частиц золотой фольгой 5 (остальные обозначе- ния те же, что и на рис. 355) ся некоторое число сцинтилляций вне центрального пучка. Эти сцинтилляции вызваны α-частицами, которые при прохождении сквозь золотую фольгу изменили направление полета, или, как говорят, р а с с е я л и с ь. Передвигая микроскоп по экрану от
Гл. XXII. Строение атома 477
центрального пятна наружу, мы установим, что число рассеян- ных α-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния. В описанном опыте замечательным является следующее. Диаметр атома золота равен 3 · 10 −
м. Золотая фольга тол- щиной 1 мкм содержит 10 − 6
− 10 ) = 3300 атомных слоев. В твердом теле атомы расположены почти вплотную (§ 195). По- этому при прохождении через фольгу α-частица должна столк- нуться примерно с 3000 атомов золота. Тем не менее, как мы видели, подавляющая доля α-частиц проходит фольгу и не испы- тывает при этом заметного рассеяния. На основании этих опытов мы приходим к заключению, что атом золота ни в коем случае н е л ь з я считать непроницаемым. С другой стороны, важно отметить, что некоторые α-частицы, проходя через фольгу, рассеиваются на б о л ь ш и е у г л ы. Что- бы отклонить обладающую колоссальной скоростью α-частицу на большой угол, нужны громадные силы. Следовательно, внут- ри атома на α-частицу могут действовать очень большие силы, но в поле этих сил попадает лишь малая доля пролетающих частиц.
Чтобы объяснить эти опыты, английский физик Эрнест Ре- зерфорд (1871–1937) предложил (в 1911 г.) я д е р н у ю м о- д е л ь с т р о е н и я а т о м а. Согласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть объема атома. Положитель- ное ядро окружено отрицательными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объем атома, но масса ее ввиду легкости электрона незначительна. Рассмотрим с точки зрения такой ядерной модели процесс прохождения α-частицы через атом. На α-частицу, проникаю- щую в атом, действуют электрические силы со стороны ядра и электронов 1 ). Масса электрона почти в 8000 раз меньше массы α-частицы. Поэтому взаимодействие α-частицы с электроном протекает аналогично упругому соударению быстро движущего- ся тяжелого шара с легким. При таком соударении направле- ние движения легкого шара может резко измениться, тогда как скорость тяжелого шара изменяется незначительно (рис. 357). Таким образом, взаимодействие с электронами не приводит к за- метному отклонению α-частицы. Что касается взаимодействия α-частицы с ядром, то оно может заметно изменить движение 1 ) Между частицами внутри атома действуют также и силы тяготения, но они настолько малы по сравнению с электрическими силами, что их можно в данном случае не учитывать (см. упражнение 18 в конце главы). |