Кто придумал атом: АТОМ | Энциклопедия Кругосвет

    Первая страница статьи
Э. Резерфорда
в журнале Philosophical
Magazine,
6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

    Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом
атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и
нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания
атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные
специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер
открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к
установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в
ядерной физике знания широко используются в естествознании от
изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное
ядро.

    В июньском 1911 г. номере журнала
«Philosophical
Magazine»
была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и
β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые
было введено понятие «атомное ядро».
    Э.Резерфорд проанализировал результаты
работы Г. Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц
на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было
обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол
больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то
время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из
отрицательно заряженных электронов и равного количества
положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы
радиуса
R ≈ 10^—8
см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом,
Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда
другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения
Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц
на угол θ от
энергии E
налетающей α-частицы

    Измеренное Гейгером и Марсденом угловое
распределение α-частиц можно было объяснить только в том
случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд,
распределенный в области размером <10^-12 см.
Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2,
где A
– вес атома в атомных единицах массы, e
– фундаментальная единица заряда. Точность определения величины
заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла
планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного
положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него
электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален –
положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом
электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда
ядра Z.

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию
приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил
Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд
поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и
найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению
Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд
основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии
с этой моделью атом представлялся сферой размером 10^–8
см с равнораспределенным положительным
зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания
последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что
α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и
особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути
своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать
электроны, которые ионизировали окружающие атомы.
    Марсден под руководством Гейгера стал делать свои
наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц
проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а
некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал
Резерфорд, он сказал:
— Это невозможно. Это так же невозможно, как
для пули невозможно отскочить от бумаги.
Эта фраза показывает, как конкретно и образно он
видел явление.
    Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а
Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме
неправильно и его надо в корне пересмотреть.
    Изучая закон распределения отразившихся
α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение
поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при
котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к
выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по
всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им
ядром, очень мал: 10^–12—10^–13
см в диаметре.
Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что
отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом —
они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого
уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра.
Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная
система, состоящая из ядра — солнца и электронов —
планет. Так он создал свою модель атома.
    Эта модель встретила полное недоумение,
так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся
незыблемыми, основам физики.

П.Л.
Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

    Г.
Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу
из золота большинство α-частиц,
как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было
обнаружено, что часть α-частиц
отклоняется на очень большие углы. Некоторые α-частицы
рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности
электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают
существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного
заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона
~10¹³ В/м.
В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в
области
R < 10^-12
см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое
сильное электрического поле массивного заряженного тела может
отклонить
α-частицы
на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели
Томсона это было невозможно.

Э.
Резерфорд, 1911 г. «Хорошо
известно, что
α—
и
β-частицы
при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от
прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у
β-частиц
нежели у
α-частиц,
т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями.
Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы
проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые
отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим
внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α—
или
β-лучей
при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат
многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества.
Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что
некоторое количество α-частиц
при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше
90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать
сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении
создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э.
Резерфорд. Атомное ядро

Исходя из планетарной модели атома,
Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α-частиц
на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и
Марсдена. Резерфорд предполагал, что α-частицы
и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как
точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α-частицами
действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро
настолько тяжелое по сравнению с α-частицей
, что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются
вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~10-8 см
и из-за малой массы не влияют на рассеяние α-частиц.

   
Вначале
Резерфорд получил зависимость угла рассеяния
θ
α-частицы
с энергией
E
от величины прицельного параметра
b
столкновения с точечным массивным ядром.
b − прицельный параметр − минимальное расстояние
на которое α-частица
подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы
отталкивания, θ
− угол рассеяния α-частицы,
Z₁e
− электрический заряд α-частицы,
Z₂e
− электрический заряд ядра.

    Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка
α-частиц
с энергией
E
рассеивается на угол
θ
в зависимости от заряда ядра
Z₂e
и заряда α-частицы
Z₁e.
Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена
знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении
формулы было предположение, что в атоме находится массивный
положительно заряженный центр, размеры которого
R < 10^-12
см.

    Э. Резерфорд,
1911 г.: «Наиболее
простым является предположение, что атом имеет центральный заряд,
распределенный по очень малому объему, и что большие однократные
отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его
составными частями. В то же время экспериментальные данные
недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности
существования небольшой части положительного заряда в виде спутников,
находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует
отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда
атома золота (100e)
примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота,
состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e.
Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки
зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две
единицы заряда».

Дж.
Дж. Томсон и Э. Резерфорд

    Э. Резерфорд, 1921 г.:
«Представление о нуклеарном строении атома первоначально
возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие
углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α частицы
обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные
отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на
существование весьма интенсивных электрически! или магнитных полей
внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было
предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма
малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра
атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы
атома и окружено на некотором расстоянии известным образом
распределенными отрицательными электронами; число которых равняется
общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра
должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и
α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от
ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические
силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в
области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее
число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и
энергией α-частицы.
   
Вопрос о том, является ли атомное число
элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько
важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные
методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется
несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения.
Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α-
и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick’oм,
пользующимся новыми приемами; последний – Crowthar’oм.
Результаты, полученные до сих пор
Chadwick’oм,
вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в
пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick’a
составляет около 1%».

   
Несмотря на то, что комбинация двух
протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в
настоящее время считается, что α-частицы
не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного
образования. В случае α-радиоактивных
элементов энергия связи α-частицы
больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по
отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α-частица
может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как
самостоятельное образование.
    Предположение Резерфорда о том, что атомное
ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о
положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным
объяснением открытой им α радиоактивности.
Представления о том, что частицы могут рождаться в результате
различных взаимодействий, в это время еще не существовало.
   
Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в
1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило
наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми
концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры
материи.

   
В результате открытия в 1911 г. Э. Резерфордом
атомного ядра образовалась новая концепция строения материи: атом состоит из
массивного положительно заряженного атомного ядра, окруженного электронными
оболочками. Положительный заряд атомного ядра определяет суммарное число
электронов в атомных оболочках. В целом атом является электрически нейтральной
системой.
   
Планетарная модель атома, созданная Резерфордом,
встретила полное недоумение, так как она противоречила казавшимся тогда
незыблемыми основам физики. Нужно было как-то объяснить, почему вращающиеся
вокруг ядра электроны не излучают энергию и не падают на атомные ядра. Большое
значение в развитии представлений о строении атома сыграла модель Н. Бора,
которая представляла собой введение квантовых условий в модель Резерфорда,
построенную на основе классических представлений. В 1913 г. Н. Бор сформулировал
свои знаменитые постулаты.

Н. Бор, 1913 г.:
«Квантовая теория строения атомов.

1. Среди мыслимых состояний движения атомной
системы имеется ряд так называемых стационарных состояний, относительно которых
предполагается, что движение частиц в этих состояниях, подчиняясь в значительном
объеме классическим механическим законам, отличается, однако, своеобразной
механически необъяснимой устойчивостью, в результате которой следует, что всякое
остаточное изменение движения системы должно состоять в полном переходе из
одного состояния в другое.

2. В самих стационарных состояниях, в
противоречие с классической электромагнитной теорией, излучения не происходит,
однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может
сопровождаться электромагнитным излучением, обладающим теми же свойствами, как
излучение, посылаемое на основании классической теории электрической частицей,
совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Эта частота ν не
находится, однако, в простом отношении к движению частиц атома и определяется
условием

hν
=
E’ –
E»

где
h –
постоянная Планка, E’
и
E» –
значение атомной энергии в двух стационарных состояниях, образующих начальное и
конечное состоянии процесса излучения. Обратно, освещение атома
электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения,
переводящее атом из конечного состояния в начальное».

   
Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода
вращается вокруг ядра по классическим траекториям, не излучая энергию, если на
его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля

nλ = 2πr_n,
  n = 1, 2, 3. ..

     Разным разрешённым орбитам n соответствуют
разные энергии электронов E_n

 n = 1, 2, 3…

   
Радиус первой боровской орбиты атома водорода r₁ ≈
0.53·10^-8см.
Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию
связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур.

Э. Резерфорд, 1914 г.:
«Из рассмотрения атомов водорода и гелия, где водород имеет один
электрон, а гелий – два, очевидно, что число электронов не может быть всегда
точно равно половине атомного веса. Это приводит к интересному предположению,
которое высказал
Ван-де-Брок, что число единиц заряда ядра, а, следовательно, число внешних
электронов, должно быть равно номеру места, которое занимает элемент по порядку
возрастания атомного веса. С этой точки зрения заряды ядер водорода, гелия и
углерода должны быть соответственно равны 1, 2, 6 и т.д. для
других элементов, если только мы не пропускаем каких-либо элементов. Эта точка
зрения была принята Бором в его теории простых атомов и молекул».

Электрический заряд атомного ядра в
единицах электрического заряда (q = 1.6·10^—19 Кл)
определяет число электронов в атоме, определяет место химического элемента в
Периодической системе Д. И. Менделеева.

 Размеры атома составляют несколько
ангстрем (1 Å = 10^–8 см).

     Химические свойства атомов,
способность атомов образовывать различные химические соединения
– молекулы
определяются внешней электронной оболочкой атома и зависят от числа электронов в
ней. Э. Резерфорд впервые использовал ядерные реакции  под действием
α‑частиц
для изучения свойств атомного ядра. Следующим шагом в познании строения материи
стало открытие в 1919 г. протона Э. Резерфордом и в 1932 г. нейтрона
Дж. Чадвиком. Оказалось, что на уровне 10^–12 см вещество состоит из
протонов, нейтронов и электронов. Число
протонов в атомном ядре Z определяет
заряд атомного ядра. Суммарное число протонов
Z и
нейтронов N определяет
массовое число A атомного
ядра

 Z + N = A.

Атомные ядра обладают магнитными моментами,
которые измеряются в ядерных магнетонах

где m_p – масса протона.

   
Магнитные моменты атома измеряются в магнетонах Бора

где m_e –  масса электрона. Магнитные момента атомов в тысячи раз больше магнитных моментов
ядер.

Таблица 1

Характеристики протона, нейтрона и
электрона

Характеристика	Протон	Нейтрон	Электрон
Масса mс2, МэВ	938. 272	939.565	0.511
Электрический заряд (в единицах элементарного заряда)	+1	0	-1
Спин J (в единицах ћ)	1/2	1/2	1/2
Чётность	+1	+1	+1
Статистика	Ферми-Дирака
Магнитный момент (для нуклонов – в ядерных магнетонах, для электрона – в магнетонах Бора)	+2.79	–1.91	+1.001
Время жизни	> 1032 лет	885.7±0.8 с	> 4. 6·1026 лет
Тип распада	стабилен	n → p + e− +	стабилен

 Протон, нейтрон и электрон являются фермионами, имеют спин
J = 1/2 и
подчиняются принципу Паули. Нейтрон имеет массу на 1.3 МэВ больше, чем протон,
поэтому в свободном состоянии он распадается на протон p,
электрон e⁻ и
электронное антинейтрино