Мысли вслух 1042

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома. Он открыл альфа- и бета-лучи, возникающие при радиоактивном распаде. Вместе с Г. Гейгером сконструировал прибор для регистрации заряженных частиц и с его помощью доказал, что альфа-лучи — поток положительно заряженных ядер гелия. Создал теорию радиоактивного распада и установил законы радиоактивных превращений. Эти работы были отмечены Нобелевской премией по химии 1908 года. Исследовал и вывел закон рассеяния альфа-частиц атомами металлов, экспериментально обнаружив в 1911 году атомное ядро. Результаты этих экспериментов привели Резерфорда к созданию планетарной модели атома.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871–1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре — небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, ещё не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окружённое электронами, число которых равно числу протонов в ядре — ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название — нуклоны (с латинского nucleus — ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А. Ясно, что А = N + Z, где N — число нейтронов в ядре, а Z — число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z — атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос — равный, топос — место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio — излучаю, activus — деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыт Резерфорда. В камере 1, укреплённой на поворотном диске 2, находится радиоактивный препарат 3, испускающий альфа-частицы, которые бомбардируют листок металлической фольги 4. Альфа-частицы, летящие со скоростью 10 тысяч километров в секунду, отклоняются атомами металла на различные углы, задаваемые поворотом диска, и попадают на экран 5, вызывая в нём вспышки (сцинтилляции). Число вспышек пересчитывают, наблюдая в микроскоп 6. В течение всей работы было подсчитано более 100 тысяч сцинтилляций и установлено, что на угол 180°, то есть обратно к источнику, отражалась в среднем одна частица из 8 тысяч. Опыт подтвердил, что альфа-частица отталкивается ядром по закону Кулона.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноимённо заряженные тела и притягивают друг к другу разноимённо заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро — Солнце, а электроны — планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10–9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Её часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736–1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q1 и Q2 притягиваются или отталкиваются с силой, равной FC  = Q1Q2/r2 , где r — расстояние между зарядами, носит название „Закон Кулона“. Индекс „С“ присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb). Среди самых различных утверждений мало найдётся таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы — все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом Кулона.
Отступление о гравитации

С гравитацией человек знакомится в раннем детстве. Падая, он учится уважать силу притяжения к Земле. Знакомство с ускоренным движением обычно начинается с изучения свободного падения тел — движения тела под действием гравитации.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, очень наглядна. Система Земля — Луна, например, похожа на увеличенный до гигантских размеров атом водорода. Но сходство это только внешнее. В микромире действуют свои законы, непохожие на законы небесной механики.

Между двумя телами массы М1 и М2 действует сила FN = –GМ1 М2/r2. Здесь r — расстояние между телами, G — гравитационная постоянная, равная 6,67259;10–11 м3кг–1с –2, индекс „N“ дан в честь Ньютона (1643 — 1727). Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчёркивая его всеобщий характер. Сила FN определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю. Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами. Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна (1879–1955), мы упоминать не будем.

И кулоновская электростатическая сила, и ньютоновская сила всемирного тяготения одинаково (как 1/r2) уменьшаются с увеличением расстояния между телами. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами. Если силу кулоновского отталкивания двух протонов сравнить по величине с силой их гравитационного притяжения, то окажется, что FN/FC = 10–36(Q1 = Q2 = ep; M1 = M2 = mp). Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой.

Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) телами. В пространстве всегда очень много заряженных частиц (электронов, ионов разного знака). Под воздействием огромной (по атомным масштабам) притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к её источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.
Волна или частица? И волна и частица!

Об атомных и ещё более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но всё оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна… Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн — расстояния между двумя последовательными гребнями — могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значительное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (;) — мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно её обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения — время, за которое проходит одна волна, — буквой Т. Величина, обратная периоду, называется частотой ; = 1/Т. Самые простые волны (гармонические) имеют определённую частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. „Наука и жизнь“ № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы её себе представляем, и волна абсолютно не похожи.