Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Какво има вътре? Всеки си задаваше този въпрос. Това е една от характеристиките на естественото човешко любопитство.
Ние задоволяваме това любопитство от ранна детска възраст. Колкото по-дълго можем да си задаваме този въпрос (и други подобни), за предпочитане до дълбока старост, толкова по-богат ще бъде животът ни.
Но какво всъщност питаме? Детето, гледайки вътре в играчката, първо търси някаква нова структура на материала. Един млад мъж, който разглежда книга или интернет, търси преди всичко информация - по-малко се интересува от какво е направена.Археолог, който изследва новоразкопана историческа сграда, търси както информация, така и материална структура - последната също ще бъде превърната в информация. По същия начин геолог, който гледа (с помощта на чук и длето, лупа, рентгенови лъчи) в дълбините на скалата, търси минерали, симетрия и красота там.
Необходимо ли е да променим външната структура или дори да разрушим това, което искаме да видим вътре? За щастие не! В крайна сметка лекарят гледа вътре в човешкото тяло с помощта на цял арсенал от инструменти и инструменти. Ние ценим съвременната медицина заради нейното минимално инвазивно или почти неинвазивно проникване. Не е необходимо да гледаме вътре с помощта на човешките сетива - можем да видим с ултразвук, рентгенови лъчи, радиовълни и много други методи.
Винаги ли сме готови за факта, че трябва да погледнем вътре? Разбира се, че не, помислете например за гледане в старо яйце. Алхимиците често разглеждали смесите си с огъня - понякога той избухвал, защото вътре освен структура и информация се съхранявала енергия.Един поглед вътре в атомното ядро дори направи възможно да се предскаже, макар и не веднага, че "от него ще има енергия."
Теория - кратка и ясна
В края на първото десетилетие на 20-ти век Ернст Ръдърфорд, заедно с колегите си Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън, надникнаха в атома. Обект, чието съществуване век по-рано не е нищо повече от хипотеза, любопитство, наследено от Демокрит и някои други древни мислители. Предмет, за който още в средата на 19 век се смяташе, че няма нищо вътре. Обект, който в крайна сметка стана толкова малък, че не можеше да се види - всичко, което се знаеше, беше, че атомите по-скоро съществуват. Как са изглеждали вътре в атом? Какво са търсили? Какво са видели? Дали беше това, което очакваха, или нещо съвсем различно? Определено си струва да прочетете за всичко това
Ориз. 1. (Отляво надясно) Ърнест Ръдърфорд, Ханс Гайгер и Ърнест Марсден проектират и провеждат серия от експерименти между 1908 и 1911 г., в които изследват разпределението на материята в атома. След интерпретация на резултатите те разработиха планетарен модел на атома.
Деветнадесети век донесе много научни изследвания на границата между химията и физиката. Това включва изследване на проблема „елемент срещу съединение“, количествения аспект на химичните реакции, включително явлението електролиза, както и в областта на термодинамиката и оптиката. Появи се концепцията за числото на Авогадро.
Изясняването на поведението на вещество в летливо състояние беше голям успех на кинетично-молекулярната теория. Тя приема гранулираната структура на материята, тоест съществуването на най-малките частици материя: атоми или техните добре дефинирани групи - молекули. Това е най-често цитираният пример; много други явления също се обясняват на базата на подобни предположения. На свой ред изследванията на материята в твърдо състояние направиха възможно да се оцени размерът на отделните атоми (фиг. 2).
Оказа се, че независимо от елемента, тези размери са от порядъка на един или два ангстрьома. Успяхме да оценим и масите на различни атоми – оказа се, че те са свързани с масовото число А на елемента. Известно е, че атомите са електрически неутрални.
Ориз. 2. Независимо дали атомите са били представени като сфери, кубове или други форми, техните приблизителни размери, атомно число Z и масово число А са били известни, както и тяхната електрическа инерция също е била известна.
Какво има вътре в атома?
Неочакван резултат от това изследване беше откритието на вътрешната структура на атомите. Катодните лъчи, известни от няколко десетилетия, бяха разпознати през първото десетилетие на 20-ти век като снопове от „атоми на електричество“ (днес знаем: електрони) със свойства, независими от материала, от който се излъчват. Изводът може да бъде само един: електроните са част от всеки атом. Въпреки това, както техният ненулев електрически заряд (днес знаем, че е отрицателен), така и известната им тогава маса (три до четири порядъка по-малка от масата на атом) показват, че атомите все още трябва да имат някои компоненти (фиг. 3).
В началото на 20-ти век бяха разработени няколко модела за описание на пространственото разпределение на материята и заряда. Някои (Фиг. 2a) прогнозират равномерно разпределение на материята и заряда вътре в атома.Въпреки това, преобладаващото мнение беше съществуването на ядрото на атома (Фиг. 2b) - положително заредена, масивна вътрешна подструктура, с кои електрони са свързани по един или друг начин, не непременно симетрични.
Проблемът беше за това как са подредени компонентите вътре в атома, включително естеството на възможното им движение. Бяха представени различни хипотези, но доминиращото мнение беше, че:
- масата на атома е свързана с това, което е положително заредено вътре в него (Ръдърфорд го нарече атомно ядро);
- тази маса е повече или по-малко равномерно разпределена в област, чийто размер е по-малък от размера на атом с порядък, може би два, т.е. от 0,01Å до 0,1Å;
- В атома не трябва да има празно пространство или атомната материя не се съпротивлява на движението - електронен лъч, подобно на рентгенов лъч, преминава свободно през доста тънки области на материята, например през метално фолио дебелина няколко микрона.
Как да погледнем вътре в атом?
Всеки физик днес ще ви каже, че е лесно. Всичко, което е необходимо, е да се насочат подходящи частици към атома, действащи като заряди, и да се изследват ефектите от взаимодействието на тези заряди със съставните части на атома. За да се избегне ефектът на взаимодействие с електрони, зарядите трябва да имат маса, много по-голяма от масата на електроните. Но те също трябва да имат маса, по-малка от масата на това, което искаме да изследваме в атома.
За да избегнете нестабилен резултат, зарядите също трябва да имат достатъчно висока енергия. По времето на Ръдърфорд не е имало ускорители, така че изборът на заряди е малък: α-частиците, които той е открил десет години по-рано, отговарят доста добре на тези условия. Мишената (физиците понякога използват термина "екран" ) за α-частиците бяха златни атоми в тънко фолио. Ръдърфорд и колегите му са изучавали други метали, но златото, ковък и пластичен метал, позволява образуването на филм с дебелина до половин микрометър (0,510-6 m).
Измереният ефект от взаимодействието със златния атом беше ъгълът на разсейване на частиците α (фиг. 3.).
Ориз. 3. Схема на експеримента на Ръдърфорд (изглед отгоре)
α-частиците пристигат под формата на лъч с ширина около милиметър и се разпръскват в метално фолио с дебелина около микрон. Детекторът на α-частици е разположен последователно, под различни ъгли спрямо първоначалната посока на лъча, върху полукръгъл водач с размер около дециметър.
Експериментаторът гледа в окуляра и брои броя на светкавиците, причинени от α частици, разпръснати под даден ъгъл за определено време. Референтното време е еднакво за всички ъгли.
Ъгълът на разсейване зависи от няколко фактора:
- за кинетична енергия Ek частици α,
- на своя заряд, qa=+2e,
- върху заряда на ядрото (злато или друг елемент, използван в експеримента), т.е. от атомния номер Z на този елемент: Q=+Ze,
- от приблизителния радиус на атомното ядро Rj,
- върху ударния параметър b на частица α с ядро.
Какво се очакваше?
Rutherford et al изследваха колко често се случва разсейване под определен ъгъл φ спрямо първоначалната посока на полета. В съответствие с представите на времето за размера на атомното ядро, те очакваха, че тези ъгли ще бъдат в ограничен, относително малък диапазон. Максималната стойност φmна ъгъла на разсейване зависи от очаквания радиус rjи се постига за всяка от неговите стойности при различни стойности на параметъра на въздействие bmФигура 4 показва траекторията на 1 MeV алфа частица, разпръсната под максималния ъгъл, като се приема, че Rj=0,01 Å. Така се случи, че α-частицата след това преминава през малък слой от ядрото.
Ориз. 4. Следа на α-частица с Ек=1 MeV, разсеяна при взаимодействие с ядрото на златен атом.
Приет е хипотетичният радиус на сърцевината Rj=0,01 Å (10-12 m). Това е повече от два порядъка по-голямо от действителния радиус на ядрото на златния атом. На тази снимка той ще бъде по-малък от точката, която маркира центъра на атома.
Параметър b ≈ 8-10-13m осигурява максимален ъгъл на разсейване φm ≈ 15°.
α частици, падащи с параметри по-големи от bmи заобикаляйки хипотетичното ядро, винаги се разпръскват под по-малък ъгъл - те летят по-далеч от центъра на положителния заряд и се отклоняват по-малко. Същото важи и за частици, падащи по-близо до централната посока (b
Резултатите от изчисляването на ъглите φmза няколко стойности на радиуса на атомното ядро, извършени в съответствие със знанията за атомната структура от началото на 20-те век, са представени в таблица 1.Струва си да припомним, че стойностите на Rj по-малки от 0,01 Å за атомното ядро не бяха взети под внимание по това време.
| Радиус на атомното ядро Rj | Максимален ъгъл на лъча φm | Максимален ъгъл с параметър за насочване |
| 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° | 0.003 Å |
Заключение: познаването на времето ни позволи да получим максимални ъгли на разсейване от няколко градуса.
Когнитивният шок на експериментатора
Както се очакваше, се оказа, че по-голямата част от α-частиците са разпръснати под малки ъгли, от порядъка на няколко градуса. Оказа се също - напълно противно на очакванията - че в някои случаи α-частиците са разпръснати под ъгли над 90 ° и дори се отразяват почти точно обратно! Гайгер и Марсдън тестваха това многократно, използвайки малко по-различни експериментални настройки, преди да го докладват на Ръдърфорд. Никой не очакваше такъв резултат.
Ръдърфорд многократно си спомня, че е бил изключително изумен от този резултат. По време на една от лекциите си в университета в Кеймбридж той изрича известните думи, чиято драматичност никой превод не може да предаде:
Това беше най-невероятното събитие, което някога ми се е случвало в живота ми. Беше почти толкова невероятно, колкото ако стреляте с 15-инчов снаряд по парче тишу и той се върне и ви удари.
Ърнест Ръдърфорд
Продължението на цитата по-горе е показателно: „След известен размисъл стигнах до заключението, че разпространението под този ъгъл вероятно е резултат от единичен сблъсък. Направих съответните изчисления; те ме убедиха, че е възможно само едно обяснение: атомът е система, на практика цялата маса на която е концентрирана в микроскопично ядро, заредено положително.”
Ето заключение, достойно за физик: когато добре проведен експеримент не е в съответствие с предишни вярвания или дори с установена теория, ние отхвърляме вярванията и преработваме теорията.
Тълкуването на Ръдърфорд
Нека използваме трите диаграми, показани на фигури 5, 6 и 7, за да видим какво е видял Ръдърфорд вътре в атома. Във всички диаграми α-частица с енергия 1 MeV (това съответства на скорост от почти 7000 km/s) се приближава централно към атома - параметърът на сблъсък е равен на нула. Приемаме, че зарядът на ядрото на атома е равен на заряда на златното ядро - 79 елементарни заряда.Силата на електростатичното отблъскване на ядрото е противоположна на скоростта на частицата α.
Предполагаме, че атомът остава неподвижен и питаме дали силата на Кулон може да спре α частицата и да я изпрати обратно, преди да премине през центъра на ядрото. Ако е така, тогава частицата α ще бъде ускорена от силата на Кулон и ще се върне там, откъдето е дошла, а ъгълът й на разсейване ще бъде 180°. Ако не, тогава, от друга страна, α частицата ще лети по-далеч и ъгълът на разсейване ще бъде равен на нула. Оказва се, че размерът на атомното ядро тук е решаващ.
Rj=0,1 Å, т.е. ядрото е 10 пъти по-малко от атом
Фигура 5 показва ситуацията в мащаба на целия атом, чийто радиус е 1 Å. Радиусът на ядрото е Rj=0,1 Å. Горната графика показва зависимостта на силата на Кулон от разстоянието до центъра на ядрото. Тази сила достига максимална стойност от малко под 0,4 mN, когато α частицата навлезе в ядрото. Започвайки от тази точка, силата на Кулон намалява линейно, достигайки нула в центъра на ядрото.
Зависимостта на скоростта на частиците α от същото разстояние е изобразена в долната част на диаграмата. Тази скорост намалява с приближаването на ръба на ядрото. След навлизане в областта на сърцевината това намаление е по-слабо изразено - това съответства на намаляване на стойността на силата на Кулон. Като цяло скоростта е намаляла с по-малко от 2%. След като премине през центъра на ядрото, α-частицата се ускорява, карайки я да напусне ядрото и след това целия атом.
Извод: наличието на α-частици с енергии от порядъка на 1 MeV и по-високи (такива са използвани от Гайгер и Марсдън), отразени обратно, изключва такъв голям размер на ядрото - от порядъка на 0,1 Å.
Ориз. Фиг. 5. Графики на силата на Кулон и скоростта на частиците α като функция на разстоянието d от центъра на атомното ядро
Общата за двете графики хоризонтална ос е разположена между тях. Ядрото с радиус 0,1 Å (показано в зелено) се намира от дясната страна на графиката, така че оста на разстоянието има необичаен завой: наляво.
Rj=0,01 Å, т.е. ядрото е 100 пъти по-малко от атом
Следователно, в следващия кръг от изчисления, нека намалим радиуса на ядрото десет пъти до 0,01 Å. Фигура 6 показва тази ситуация, въпреки че вече не включва атом, чийто приблизителен радиус е 1 Å. Обърнете внимание на скалата на оста на разстоянието - сега графиката покрива областта от 0,1 Å до центъра на ядрото. Курсът му е много подобен на предишния. Разликата е в мащаба. Кулоновата сила достига 40 mN на ръба на по-малкото ядро, което е сто пъти повече, отколкото за по-голямото ядро. Това е разбираемо: съотношение на радиусите 1:10 означава съотношение на силите 100:1. Това води до намаляване на скоростта на частиците α с около 18%. Той обаче не намалява до нула, така че алфа частицата преминава през центъра на ядрото и прелита през атома.
Заключение: атомното ядро трябва да има радиус по-малък дори от 0,01 Å, в противен случай то няма да отразява обратно α-частиците.
Ориз. Фиг. 6. Графики на зависимостта на силата на Кулон и скоростта на частиците α в зависимост от разстоянието d от центъра на атомното ядро с радиус 0,01 Å
Максималната стойност на силата е сто пъти по-голяма, отколкото в случая, показан на фигура 5, което води до по-голямо намаляване на скоростта на частицата α.
Rj=0,001 Å, т.е. ядрото е 1000 пъти по-малко от атом
Нека още веднъж намалим радиуса на ядрото десет пъти - до една хилядна от ангстрьома - без да променяме други параметри. Забелязваме (фиг. 7.) нещо ново в диаграмата на скоростта: нейната стойност пада до нула, когато α частицата е на разстояние около 0,0023 Å от центъра на ядрото, т.е. 0,0013 Å от ръба му. В това положение α-частицата е била ускорена в посоката, от която е дошла – ъгълът й на разсейване е 180°. Струва си да се отбележи, че силата на Кулон е достигнала стойност от около 700 mN.
Заключение: атомно ядро с радиус 0,001 Å е в състояние да спре α-частица с енергия 1 MeV и да я разпръсне обратно. Има дори известна „запас“ за това, тъй като частицата спира на малко повече от 0,001 Å от ръба на такова ядро.
Ориз. Фиг. 7. Графики на зависимостта на силата на Кулон и скоростта на частиците α в зависимост от разстоянието d от центъра на атомното ядро с радиус 0,001 Å
На около 0,0013 Å от ръба, алфа частицата спира и се ускорява в посоката, от която идва.
Заключение
Наличието на α-частици с енергия 1 MeV, разпръснати обратно, изключва радиуса на атомното ядро, по-голям от 0,002 Å. Geiger и Marsden произвеждат алфа частици с енергии, вариращи от над 1 MeV до около 5 MeV от няколко различни радиоактивни препарата. Всички бяха отблъснати. Подобни разсъждения и изчисления позволиха на Ръдърфорд да определи максималния възможен радиус на атомното ядро, който е приблизително 0,001 Å.
По-нататъшни изследвания на структурата на атома с помощта на различни частици, включително протони, ускорени в ускорители до все по-високи енергии, направиха възможно изследването на размерите на ядрата на различни атоми. Оказа се, че радиусът на ядрото се увеличава с нарастването на неговото масово число А, но не достига 0,0001 Å, или 10-14 m.
Паралелните изследвания на атомния състав направиха възможно, приблизително четвърт век след експериментите, проведени под ръководството на Ръдърфорд, и след откриването на неутрона през 1932 г., да се определи съставът на атомните ядра на различни елементи и техните изотопи.