Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Що там усередині? Кожен ставив собі це питання. Це одна з характерних особливостей природної людської цікавості.
Ми задовольняємо цю цікавість із самого дитинства. Чим довше ми зможемо ставити собі це питання (та інші подібні до нього), бажано до глибокої старості, тим багатшим буде наше життя.
Але про що ми насправді запитуємо? Дитина, заглядаючи всередину іграшки, насамперед шукає якусь нову структуру матеріалу. Молода людина, заглядаючи в книгу чи в Інтернет, перш за все шукає інформацію – її менше цікавить, з чого вона зроблена.Археолог, який вивчає щойно розкопану історичну будівлю, шукає як інформацію, так і матеріальну структуру - остання також буде перетворена на інформацію. Так само геолог, заглядаючи (за допомогою молотка і зубила, збільшувального скла, рентгенівських променів) у глиб породи, шукає там мінерали і симетрія та краса.
Чи обов'язково змінювати зовнішню структуру або навіть руйнувати те, що ми хочемо бачити всередині? На щастя ні! Адже лікар заглядає всередину людського тіла за допомогою цілого арсеналу засобів та інструментів. Ми цінуємо сучасну медицину за її мінімально-інвазивне або майже неінвазивне проникнення. Заглядати всередину не обов'язково за допомогою людських органів чуття - ми можемо дивитися за допомогою ультразвуку, рентгенівських променів, радіохвиль та багатьох інших методів.
Чи завжди ми готові до того, що нам доведеться заглядати всередину? Звичайно ж, ні, подумайте, наприклад, про те, щоб зазирнути у несвіже яйце. Алхіміки часто розглядали свої суміші за допомогою вогню - іноді він вибухав, тому що всередині, крім структури та інформації, зберігалася енергія.Погляд усередину атомного ядра навіть дозволив передбачити, хоч і не відразу, що «з цього буде енергія».
Теорія - коротко і зрозуміло
Наприкінці першого десятиліття XX століття Ернст Резерфорд разом зі своїми колегами Гансом Гейгером та Ернестом Марсденом заглянув усередину атома. Об'єкт, існування якого століттям раніше було лише гіпотезою, дивиною, успадкованою від Демокрита та інших древніх мислителів. Об'єкт, який ще в середині XIX століття вважався таким, що не має нічого всередині. Об'єкт, який врешті-решт став настільки малий, що його неможливо було побачити – все, що було відомо, це те, що атоми є швидше. Як вони виглядали усередині атома? Що вони там шукали? Що вони бачили? Чи це було тим, чого вони очікували, чи чимось іншим? Безумовно, варто прочитати все це
Мал. 1. (Зліва направо) Ернест Резерфорд, Ганс Гейгер та Ернест Марсден розробили та провели серію експериментів між 1908 та 1911 роками, в ході яких вони вивчали розподіл речовини всередині атома. Після інтерпретації результатів, вони розробили планетарну модель атома.
Дев'ятнадцяте століття принесло безліч наукових досліджень на кордоні між хімією та фізикою. Це включало дослідження проблеми «елемент проти з'єднання», кількісного аспекту хімічних реакцій, включаючи явище електролізу, а також термодинаміки та оптики. З'явилося поняття числа Авогадро.
З'ясування поведінки речовини у летючому стані було великим успіхом кінетико-молекулярної теорії. Вона передбачала зернисту структуру матерії, тобто існування найдрібніших частинок матерії: атомів чи його чітко визначених груп - молекул. Це найчастіше наведений приклад; багато інших явищ також пояснюються з урахуванням таких припущень. У свою чергу дослідження речовини в твердому стані дозволили оцінити розмір окремих атомів (рис. 2).
Виявилося, що, незалежно від елемента, ці розміри були близько одного-двох ангстремів. Також вдалося оцінити маси різних атомів - виявилося, що пов'язані з масовим числом A елемента. Було відомо, що атоми електрично нейтральні.
Мал. 2. Незалежно від того, чи представлялися атоми у вигляді сфер, кубів або об'єктів іншої форми, їх приблизні розміри, атомний номер Z та масове число A були відомі, а також була відома їхня електрична інертність.
Що знаходиться всередині атома?
Несподіваним результатом цього дослідження стало відкриття внутрішньої структури атомів. Катодні промені, відомі вже кілька десятиліть, були визнані в першому десятилітті 20-го століття як пучки «атомів електрики» (сьогодні ми знаємо: електрони) з властивостями, які не залежать від матеріалу, з якого вони випускаються. Висновок може бути лише один: електрони входять до складу кожного атома. Однак і їх ненульовий електричний заряд (сьогодні ми знаємо негативний), і їх відома тоді маса (на три-чотири порядки менша за масу атома) вказували на те, що атоми все ж таки повинні мати якісь компоненти (рис. 3).
На рубежі 20 століття було розроблено кілька моделей для опису просторового розподілу матерії та заряду. Деякі (рис. 2а) передбачали рівномірний розподіл матерії і заряду всередині атома. не обов'язково симетрично.Проблема стосувалася того, як компоненти розташовані всередині атома, включаючи характер їх можливого руху. Було висунуто різні гіпотези, хоча домінуючою була думка, що:
- маса атома пов'язана з тим, що всередині нього позитивно заряджено (Резерфорд назвав це атомним ядром);
- ця маса більш менш рівномірно розподілена по області, розмір якої менше розміру атома на порядок, можливо, на два, тобто. від 0,01 Å до 0,1 Å;
- В атомі не повинно бути порожнього простору, або атомна матерія не чинить опору руху - електронний промінь, як і рентгенівський промінь, вільно проходить через досить тонкі ділянки матерії, наприклад, через металеві фольги товщиною в кілька мікрон.
Як зазирнути всередину атома?
Будь-який фізик сьогодні скаже вам, що це просто. Все, що необхідно, - це спрямувати на атом відповідні частинки, що діють як заряди, та вивчити ефекти взаємодії цих зарядів із складовими атома. Щоб уникнути ефекту взаємодії з електронами, заряди повинні мати масу, що значно перевищує масу електронів. Але вони також повинні мати масу меншу, ніж маса того, що ми хочемо вивчити в атомі.
Щоб уникнути нестійкого результату, заряди також повинні мати досить високу енергію. За часів Резерфорда був прискорювачів, тому вибір зарядів був невеликий: частки α, які він відкрив десятьма роками раніше, цілком відповідали цим умовам. Мішенню (фізики іноді використовують термін «екран») для α-часток були атоми золота у тонкій фользі. Резерфорд та його колеги вивчали й інші метали, але золото, податливий і в'язкий метал дозволило сформувати плівку товщиною до половини мікрометра (0,510-6 м).
Вимірюваним ефектом взаємодії з атомом золота був кут розсіювання частки α (рис. 3.).
Мал. 3. Схема досвіду Резерфорда (вид зверху)
α-частинки надходять у вигляді пучка шириною порядку міліметра та розсіюються у металевій фользі товщиною порядку мікрона. Детектор α-частинок розташовується послідовно, під різними кутами до вихідного напрямку пучка, на напівкруглій напрямній розміром порядку дециметра.
Експериментатор дивиться в окуляр і протягом обумовленого часу підраховує кількість спалахів, викликаних частинками α, розсіяними під заданим кутом. Час відліку є однаковим для всіх кутів.
Кут розсіювання залежить від кількох факторів:
- на кінетичну енергію Ek частки α,
- на його заряд, qa=+2e,
- від заряду ядра (золота чи будь-якого іншого елемента, що у експерименті), тобто. від атомного номера Z цього елемента: Q=+Ze,
- від передбачуваного радіусу атомного ядра Rj,
- від прицільного параметра b частки α з ядром.
Що очікувалося?
Резерфорд та співавтори вивчали, як часто розсіювання відбувається під певним кутом φ до початкового напрямку польоту. Відповідно до уявлень того часу про розмір атомного ядра вони очікували, що ці кути будуть перебувати в обмеженому відносно невеликому діапазоні. Максимальне значення φmкута розсіювання залежить від передбачуваного радіусу rjі для кожного з його значень досягається при різних значеннях прицільного параметра bmНа рис. 4. показаний трек α-частки з енергією 1 МеВ, розсіяної під максимальним кутом у припущенні, що значення Rj=0,01 Å. Так вийшло, що α-частка потім проходить через невеликий шар ядра.
Мал. 4. Трек α-частки з Ек=1 МеВ, розсіяної при взаємодії з ядром атома золота.
Було прийнято гіпотетичний радіус ядра Rj=0,01 Å (10-12 м). Це більше, ніж на два порядки більше, ніж фактичний радіус ядра атома золота. На цьому малюнку вона буде меншою, ніж точка, що позначає центр атома.
Прицільний параметр b ≈ 8-10-13м забезпечує в цих умовах максимальний кут розсіювання φm ≈ 15°.
Частини α, що падають з параметрами більше bmі обходять гіпотетичне ядро, завжди розсіюються під меншим кутом - вони летять далі від центру позитивного заряду і менше відхиляються. Те саме справедливо для частинок, що падають ближче до центрального напрямку (b
Результати розрахунків кутів φmдля кількох значень радіусу атомного ядра, виконаних відповідно до знань про атомну структуру початку 20-го століття, представлені в таблиці 1.Значення Rj менше 0,01 Å для атомного ядра на той час не бралися до уваги.
| Радіус атомного ядра Rj | Максимальний кут розсіювання φm | Максимальний кут при прицільному параметрі |
| 0,1 Å | 1,4° | 0,09 Å |
| 0,05 Å | 2,7° | 0,046 Å |
| 0,01 Å | 15° | 0,008 Å |
| 0,005 Å | 37° | Таблиця 1. Значення максимальних кутів розсіювання α-частинки з енергією 1 МеВ на 1 МеВ. Значення Rj | в останньому ряду було набагато менше, ніж уявлення експериментаторів про можливий розмір атомного ядра атомів золота.
Висновок: знання часу дозволило отримати максимальні кути розсіювання в кілька градусів.
Когнітивний шок експериментатора
Як і очікувалося, виявилося, що переважна більшість α-частинок розсіюється під малими кутами, близько декількох градусів. Виявилося також - абсолютно всупереч очікуванням - що в окремих випадках α-частинки розсіювалися під кутами більше 90° і навіть відбивались майже точно! Гейгер і Марсден неодноразово перевіряли це, використовуючи дещо інші досвідчені установки, як повідомити про це Резерфорду. Такого результату ніхто не очікував.Резерфорд неодноразово згадував, що був вражений цим результатом. Під час однієї зі своїх лекцій у Кембриджському університеті він виголосив знамениті слова, драматизм яких не може передати жодного перекладу:
It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. Вона була майже як неповноцінна, і коли ви похилого віку 15-inch shell на сторінці текстури та її тортури і його.
Ernest Rutherford
Продовження процитованого вище висловлювання показово: «Подумавши трохи, я дійшов висновку, що розкид під таким кутом, ймовірно, був результатом одного зіткнення. Я зробив відповідні розрахунки; вони переконали мене в тому, що можливе лише одне пояснення: атом - це система, практично вся маса якої зосереджена в мікроскопічному ядрі, позитивно зарядженому».
Ось висновок, гідний фізика: коли правильно проведений досвід не узгоджується з попередніми переконаннями або навіть з усталеною теорією, ми відкидаємо переконання та переробляємо теорію.
Інтерпретація Резерфорда
Давайте простежимо за допомогою трьох діаграм, показаних на рисунках 5, 6 та 7, що Резерфорд бачив усередині атома. На всіх діаграмах частка з енергією 1 МеВ (це відповідає швидкості майже 7000 км/с), наближається до атома центрально - параметр зіткнення дорівнює нулю. Ми припускаємо, що заряд ядра атома дорівнює заряду золотого ядра - 79 елементарних зарядів.Сила електростатичного відштовхування ядра протилежна швидкості частки α.
Ми припускаємо, що атом залишається нерухомим, і запитуємо, чи вдається кулонівській силі зупинити частинку α і направити її назад, перш ніж вона пройде через центр ядра. Якщо це так, то частка α буде прискорена кулонівською силою і повернеться туди, звідки прийшла, а кут її розсіювання становитиме 180°. Якщо ні, то, з іншого боку, частка α відлетить далі, і кут розсіювання дорівнюватиме нулю. Виявляється, що розмір атомного ядра має тут вирішальне значення.
Rj=0,1 Å, тобто. ядро в 10 разів менше атома
На малюнку 5 показано ситуацію в масштабі всього атома, радіус якого становить 1 Å. Радіус ядра становить Rj=0,1 Å. На верхньому графіку показано залежність величини кулонівської сили від відстані до центру ядра. Ця сила досягає максимального значення трохи менше 0,4 мH, коли частка входить в ядро. Починаючи з цієї точки, кулонівська сила лінійно зменшується, досягаючи нуля у центрі ядра.
У нижній частині діаграми побудована залежність швидкості частинки від тієї ж відстані. Ця швидкість зменшується з наближенням до краю ядра. Після входу в область ядра це зменшення менш виражене це відповідає зменшенню значення кулонівської сили. Загалом швидкість знизилася менш ніж на 2%. Після проходження центру ядра α-частка прискорюється, внаслідок чого вона залишає ядро, а потім весь атом.
Висновок: наявність α-часток з енергією порядку 1 МеВ і вище (такі використовувалися Гейгером і Марсденом), відбитих назад, виключає настільки великий розмір ядра - близько 0,1 Å.
Мал. 5. Графіки залежності кулонівської сили та швидкості частинки α залежно від відстані d від центру атомного ядра
Горизонтальна вісь, загальна для обох графіків, розташована між ними. Ядро з радіусом 0,1 Å (показано зеленим кольором) розташоване у правій частині графіка, тому вісь відстаней має незвичайний поворот: вліво.
Rj=0,01 Å, тобто. ядро в 100 разів менше атома
Тому давайте в наступному раунді розрахунків зменшимо радіус ядра вдесятеро, до 0,01 Å. На малюнку 6 показана ця ситуація, хоча вона більше не включає атом, приблизний радіус якого становить 1 Å. Зверніть увагу на масштаб по осі відстаней – графік тепер охоплює область від 0,1 Å до центру ядра. Його курс дуже схожий на попередній. Різниця полягає у масштабі. Кулонівська сила досягає значення 40 мН на краю меншого ядра, що у сто разів більше, ніж для більшого ядра. Це зрозуміло: відношення радіусів 1:10 означає відношення сили 100:1. Це призводить до зменшення швидкості частки приблизно на 18%. Однак вона не зменшується до нуля, тому α-частка проходить через центр ядра і пролітає крізь атом.
Висновок: атомне ядро повинно мати радіус менше навіть 0,01 Å, інакше воно не відображатиме α-частинки назад.
Мал. 6. Графіки залежності кулонівської сили та швидкості частинки α залежно від відстані d від центру атомного ядра радіусом 0,01 Å
Максимальне значення сили в сто разів більше, ніж у випадку, показаному на малюнку 5, що тягне за собою більше зниження швидкості частки α.
Rj=0,001 Å, тобто. ядро у 1000 разів менше атома
Ще раз зменшимо радіус ядра в десять разів - до однієї тисячної ангстрему - без зміни інших параметрів. Ми помічаємо (рис. 7.) щось нове діаграмі швидкостей: її значення падає до нуля, коли частка α перебуває в відстані близько 0,0023 Å від центру ядра, тобто. 0,0013 від його краю. У цьому положенні α-частка була прискорена в тому напрямку, звідки вона прийшла – її кут розсіювання має значення 180 °. Варто зазначити, що кулонівська сила досягла значення близько 700 мН.
Висновок: атомне ядро з радіусом 0,001 Å здатне зупинити α-частку з енергією 1 МеВ і розсіяти її назад. Для цього є навіть деякий «запас», оскільки частка зупиняється трохи більш ніж 0,001 Å від краю такого ядра.
Мал. 7. Графіки залежності кулонівської сили та швидкості частинки α залежно від відстані d від центру атомного ядра радіуса 0,001 Å
На відстані близько 0,0013 Å від краю α-частка зупиняється і прискорюється в тому напрямку, звідки вона прийшла.
Висновок
Наявність α-часток з енергією 1 МеВ, розсіяних назад, виключає радіус атомного ядра більше 0,002 Å. Гейгер та Марсден отримали α-частинки з енергією від більш ніж 1 МеВ до близько 5 МеВ з кількох різних радіоактивних препаратів. Всі вони були відкинуті назад. Аналогічні міркування та розрахунки дозволили Резерфорду визначити максимально можливий радіус атомного ядра, що дорівнює приблизно 0,001 Å.
Подальші дослідження структури атома з використанням різних частинок, у тому числі протонів, що розганяються в прискорювачах до більш високих енергій, дозволили вивчити розміри ядер різних атомів. Виявилося, що радіус ядра збільшується зі зростанням його масового числа A, але не досягає 0,0001 Å, або 10-14 м.
Паралельні дослідження атомного складу дозволили приблизно через чверть століття після експериментів, проведених під керівництвом Резерфорда, і після відкриття нейтрону в 1932 визначити склад атомних ядер різних елементів і їх ізотопів.