Чтение онлайн

Прежде чем рассказывать об этих интереснейших опытах, скажем несколько слов о жизни и деятельности Эрнеста Резерфорда, так много сделавшего для развития атомной физики. Резерфорд, член Лондонского королевского общества, почетный член Академии наук СССР, родился в 1871 г. в Новой Зеландии, в семье мелкого фермера, четвертым из 12 детей. Окончил Новозеландский университет (г. Крайстчерч). 13 1894 г. переехал в Англию и был принят в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где начал вести исследования под руководством Дж. Дж. Томсона. Большую часть жизни (с некоторыми перерывами во время работы в Монреальском и Манчестерском университетах) Резерфорд провел в Кембридже, будучи с 1919 г. директором Кавеидишской лаборатории. Он воспитал большое число высококвалифицированных физиков.

Опыты Резерфорда, показавшие неприемлемость модели атома Дж. Дж. Томсона, заключались в следующем. Имеющие высокую скорость а-частицы направлялись на тонкий слой вещества (например, фольгу). Эффект получался двух родов: подавляющее большинство «-частиц только немного изменяло свою траекторию — под влиянием электрического поля атомов вещества происходило рассеяние -частиц; небольшое число а-частиц, наоборот, как бы встретившись с непреодолимым препятствием, резко (более чем на 90°) изменяло направление своего полета.

Все эти опыты были проделаны с большой виртуозностью. Были разработаны методы сцинтилляций (возбуждение заряженными частицами в некоторых веществах световых вспышек — сцинтилляций — и их регистрация) и газоразрядных счетчиков.

На основании этих опытов Резерфорд пришел к выводу, что в атомах существуют ядра— положительно заряженные микрочастицы, размер которых (приблизительно 10– 12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (около 10– 8 см), но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Таким образом, а-частица резко изменяет направление своего пути, когда наталкивается на ядро.

Открытие ядер атомов было очень крупным событием в развитии атомной физики. Вот что пишет по этому поводу один из наиболее известных физиков — Нильс Бор: «В текущем столетии изучение вновь открытых свойств материи, таких, как естественная радиоактивность, убедительно подтвердило основы атомной теории. В частности, благодаря развитию усилительных свойств стало возможным изучать явления, существенно зависящие от отдельных атомов, и даже удалось получить обширные сведения о структуре атомных систем. Первым шагом было признание того, что электрон является общей составной частью всех веществ; дальнейшим шагом, существенно дополнившим наши представления о строении атома, было открытие Резерфордом атомного ядра, где в чрезвычайно малом объеме сосредоточена почти вся масса атома. Неизменяемость свойств элементов при обычных физических и химических процессах непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана и взаимная превращаемость атомных ядер под действием более мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией. Как хорошо известно, эти исследования должны были в конечном счете привести к возможности освобождать огромные количества энергии, запасенные в атомных ядрах» [316] .

Рис. 44. Линейчатый спектр водорода.

Установив существование атомных ядер, Резерфорд предложил в 1911 г. свою модель атома, которая получила название планетарной модели атома Резерфорда. Действительно, новая модель атома напоминает Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Но планетарная модель атома Резерфорда также имела свои неразрешимые противоречия. Дело заключается в следующем. Электроны обязательно должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они потеряли бы устойчивость. В то же время, согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро.

Есть и еще одно противоречие. В соответствии с законами электродинамики частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что то же) числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает другое: атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называются линейчатыми (рис. 44). Другими словами, планетарная модель Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

Следующая, предложенная Бором модель атома была основана на квантовой теории. Один из крупнейших физиков XX в. — датчанин Нильс Бор (1885–1962) родился и окончил университет в Копенгагене. Работал в Кембриджском университете под руководством Дж. Дж. Томсона и в Манчестерском университете под руководством Резерфорда. В 1916 г. был избран заведующим кафедрой теоретической физики Копенгагенского университета, с 1920 г. и до конца жизни руководил созданным им в Копенгагене Институтом теоретической физики, который теперь носит его имя. В 1943 г., во время оккупации Дании гитлеровцами, Бор, видя, что над ним готовится расправа, с помощью организации Сопротивления перебрался на лодке в Швецию, а затем переехал в США. После окончания войны он возвратился в Копенгаген.

Созданная Бором модель атома основывалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им самим в 1913 г. квантовой теории строения атома. Бором были сформулированы два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым (на которых) электрон может существовать, но излучая [317] ;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон (атом) излучает или поглощает порцию энергии:

E = hv = E1 — E2,

где V, с– 1 — частота излучаемой или поглощаемой электромагнитной энергии [318] ; h = 6,62·10– 27 эрг·с — постоянная Планка.

Из постулатов Бора следует, что предложенная им в 1913 г. модель атома являлась как бы «дополненной и исправленной» планетарной моделью.

Действительно, понятными стали линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного стационарного состояния в другое. На рис. 45 представлены энергетические уровни атома водорода, изображенные горизонтальными линиями. Частоты переходов представлены вертикальными линиями, длина которых пропорциональна частоте. Буквы W1, W2, W3 и т. д. обозначают энергию стационарных уровней атома водорода: N1, N2, Nз и т. д. — квантовые числа.

Рис. 45. Стационарные уровни энергии атома водорода и частоты спектров (переходов).

Постулаты Бора объясняют устойчивость электронов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Было также установлено, что переход электрона на более далекую от ядра орбиту приводит к увеличению энергии атома и, наоборот, переход электрона на орбиту, более близкую к ядру, вызывает уменьшение энергии атома.