в каком веке было открыто ядро атома
Строение атома
История открытия. Демокрит. Начала атомистики
Уже в древности философы задумывались, из чего же состоит природа вокруг них. Демокрит первым из античных ученых предположил, что все в мире состоит из крошечных неделимых частиц. Эту частицу он назвал атом, что в переводе с греческого означает «неделимый».
К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.
Атомно-молекулярное учение. Строение атома
Практически до середины XVIII века, пока М.В. Ломоносов не принес в химию количественные эксперименты, учение об атомах оставалось лишь прерогативой философских размышлений. Михаил Васильевич считал, что лишь знание физических законов поможет правильно истолковать результаты химических опытов.
В своих исследованиях ученый выделил в веществе крупные частицы — «корпускулы», и мелкие — «элементы», или как мы называем их сейчас — атомы.
Ломоносов считал, что каждая молекула по своему составу идентична всему веществу, а также, что различные по химическому строению элементы имеют и разные по составу молекулы. Ученый предполагал, что вещества имеют особенности не только из-за отличий в составе молекул, но и благодаря различному расположению атомов в молекуле.
Следующий шаг в изучении атомов сделал английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Проводя различные эксперименты с растворением газов в жидкостях, ученый открыл главное физическое качество атомов: эти мельчайшие частицы имеют вес. Но поскольку атом до сих пор никто не видел, Дальтон назвал вес частицы относительным. Он установил, что самым легким элементом является водород и предложил его вес принять за единицу.
Открытие Дальтона стало прорывом в химии. Ведь теперь к любому химическому соединению можно было подойти с измерительным прибором. Это исследование позволило приблизиться к современной записи химических формул и уравнений. И именно Дальтон придумал первые обозначения для известных химических элементов.
До конца XIX века, несмотря на все старания ученых, химическое строение атома по-прежнему оставалось лишь гипотезой.Ученым не хватало оборудования, чтобы постичь тайну мельчайшей частицы.
Открытие Дальтона дало толчок дальнейшим опытам, в ходе которых ученые вычислили относительную атомную массу разнообразных химических элементов, что позволило их классифицировать, а Д.И.Менделееву – сформулировать периодический закон и представить научному миру Периодическую систему химических элементов.
Протоны и нейтроны
Обнаружение катодных лучей немецким ученым-физиком Юлиусом Плюккером в 1859 году и создание прототипа электронной трубки Ульямом Круксом в 1879 году положили новый виток исследованиям в атомистике.
Однако потребовалось еще несколько десятков лет, чтобы строение атомов химических элементов приоткрыло свои тайны. на заре XX века в одном журнале появились две публикации, которые пытались объяснить структуру атома. Одна из публикаций принадлежала английскому ученому Д.Д. Томсону, автором другой был японский физик Хантаро Нагаока.
При создании своей атомной структуры Нагаока использовал разработанную Максвеллом в 1856 году теорию устойчивости колец Сатурна. Японский ученый был убежден, что опираясь на «сатурнианскую» модель ядра в будущих исследованиях, можно прояснить все основные свойства материи.
Исследователь ошибся, однако два постулата его теории впоследствии подтвердились:
Томсон выдвинул гипотезу о том, что атом напоминает шарообразную, электронейтральную сферу диаметром около 10 –10 м, где положительный заряд равномерно распределен по всей структуре атома, а электроны хаотично расположены в этом поле. Поэтому, можно сказать, что атом напоминает микроскопическую булочку с изюмом.
Опыты продолжались в разных странах. В лаборатории Резерфорда проходили испытания, которые смогли доказать, что в центре атома расположено крупное ядро с диаметром около —10 —15 м, в котором содержится более 99,95 % его массы, а заряд его положительный.
В 1932 году и Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон — третий недостающий элемент атома.
Атомное взаимодействие обеспечивает тесную связь протонам и нейтронам в ядре атома. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны. Ученые считают, что их характеристики достаточно подобны, чтобы отнести эти частицы к одному семейству, как биологи относят в один вид собак и волков.
Казалось бы, вот оно – тайна ядра разгадана. Но нет, в современной физике считается, что нуклоны состоят из еще более мелких частиц, которые называют кварками, и кварковая модель является ведущей в современной науке.
Эксперименты по исследованию атома и его ядра не прекращаются, и в 2010 году международная группа физиков при исследовании протонов в мюонном водороде установила, что размер радиуса протона меньше на 4%, чем считалось до этого.
Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса, почему измерение одной и той же величины в обычном и в мюонном водороде дает разные результаты — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор не решена.
Изотопы
Работая в лаборатории Резерфорда, Фредерик Содди экспериментально установил, что встречаются атомы одного химического элемента с различной атомной массой. А поскольку к этому времени уже было известно, что количество протонов для ядра постоянно, соответственно, отличались они количеством нейтронов.
Содди предложил термин изотоп (от греческих слов изос — «равный» и топос — «место») для обозначения веществ, идентичных по химическим свойствам, но отличающихся атомной массой и определенными физическими свойствами.
При графической записи изотоп выглядит как знак химического элемента, которому он соответствует. А что бы обозначить разницу, в массовом числе используют индекс слева вверху: ( 12 C, 222 Rn)
Протий, дейтерий, и тритий — исторические собственные названия изотопов водорода.
Электронное строение атома
Исследование таинственного микромира продолжается. Изучение движения электронов и внутриатомных взаимодействий выделилось в отдельную область физики — квантовую механику. Главный постулат квантовой механики — все волны обладают свойствами частиц, а микрочастицы имеют волновую природу.
В макромире физическое тело всегда находится в какой-то конкретной точке пространства. Даже если вы сфотографируете летящую муху и на фотографии она будет в виде черной полосы, вы все равно будете уверены, что в конкретный момент времени она была в определенном месте.
В мире атома все иначе. Легкий подвижный электрон находится одновременно во всех точках околоядерного пространства. Если провести аналогию с макромиром, больше всего это напомнит неплотный клубок мягкой пушистой шерсти.
И именно эта зона пространства, где существует вероятность встретить электрон, называется электронным облаком. Плотность электронного облака неравномерна.
В электронном облаке выделяют зону, где вероятность встречи с электроном более 90% — эта область обозначена как атомная или электронная орбиталь.
Все электроны в атоме обладают определенной энергией. Чтобы описать состояние электрона, ученые используют квантовые числа. Всего их четыре. Целое число n, которое определяет энергию электронов на конкретном энергетическом уровне, называют главным квантовым числом.
На одной электронной оболочке находятся атомные орбитали с единым значением главного квантового числа n.
У невозбужденного атома электроны расположены на орбиталях 4-х видов: s, p, d и f.
Но почему нельзя было обозначить буквами по алфавиту a, b, c? Все не так просто, для обозначения атомных орбиталей ученые решили использовать начальные буквы от прилагательных, описывающих спектральные линии в атомных спектрах:
Чтобы графически представить расположение электронов на уровнях и подуровнях атомной оболочки, ученые ввели электронные формулы. Это такие численно-буквенные комбинации, где подуровень обозначен строчной латинской литерой, а цифровой индекс вверху справа обозначает количество электронов на подуровне.
Несмотря на свои способности быть одновременно в любой точке пространства, электроны при заполнении орбиталей соблюдают определенный порядок:
У этого правила есть еще одно мнемоническое название — правило троллейбуса. Расположение электронов напоминает рассадку в общественном транспорте. Если есть свободные места и человек входит один, он сядет на свободное сиденье, и только если нет свободных сидений, подсядет к кому-то на свободное место.
Итак, подведем выводы, на которые ученым понадобилось более сотни лет опытов, исследований, научных дискуссий и даже трагедий.
Чтобы проверить насколько хорошо усвоен материал, предлагаем вашему вниманию тест на тему «Строение атома» для 8-11 классов:
Физика. 11 класс
Конспект урока
Урок №24. Строение атома. Опыты Резерфорда
На уроке рассматриваются: понятия атомное ядро, опыты Резерфорда, планетарная модель строения атома; сравниваются модели атома Томсона и Резерфорда, даны некоторые сведения о фактах, подтверждающих сложное строение атома, о работах учёных по созданию модели строения атома.
Атомное ядро — тело малых размеров, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома.
Планетарная модель атома Резерфорда: в целом атом нейтрален, в центре атома расположено положительно заряжённое ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, электроны движутся по орбитам вокруг ядра, заряд ядра, как и число электронов в атоме, равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.
Ядро атома водорода названо протоном и рассматривается как элементарная частица.
Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза больше массы электрона.
Частота излучений атома водорода составляет ряд серий: серия Бальмера, серия Лаймана, серия Пашена и другие, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энергетических состояний.
Обязательная литература по теме урока:
Основное содержание урока
Долгое время, физика накапливала факты о свойстве вещества для полного представления о строении атома. И только в XIX веке изучение атомического строения вещества существенно сдвинулось с точки покоя.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.
Важным свидетельством сложной структуры атомов явились исследования спектров, излучаемые веществом, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века в излучении атома водорода были открыты спектральные линии в видимой части спектра.
Таким образом, к началу XX века учёные сделали вывод о том, что атомы материи имеют сложную внутреннюю структуру. Они являются электрически нейтральными системами, а носителями отрицательного заряда атомов являются лёгкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Однако модель атома Томсона находилась в полном противоречии с экспериментами по изучению распределения положительных зарядов.
Электрон – наименьшая электроотрицательная заряжённая элементарная частица
— отношение заряда электрона к его массе.
Немецкий физик Филипп фон Ленард в 1903 году проводил опыты, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу. На основании этого Ленард предположил, что атом состоит из нейтральных частиц или нейтральных дуплетов с совмещённым положительным и отрицательным зарядами, рассредоточенными в атоме, где большая площадь представляет собой пустоту.
В 1904 году японский физик Хентаро Нагаока выдвинул гипотезу о том, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного кольцами из большого числа электронов, колебания которых и являются причиной испускания атомных спектров, по аналогии с теорией устойчивости колец Сатурна.
Но в физике уже более 200 лет существует главное правило: окончательный выбор между гипотезами может быть сделан только на основе опыта. Эксперименты, проведенные в первый раз Эрнестом Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании структуры атома.
30.08.1871 г. – 19.10.1937 г.
Британский физик новозеландского происхождения
Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года
Для экспериментального изучения распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд в 1906 г. предложил применить зондирование атома α-частицами, скорость которых составляет 1/15 скорости света.
Эти частицы возникают при распаде, например, радия и некоторых других радиоактивных элементов. Сами же α-частицы – это ионизированные атомы гелия, положительный заряд гелия в два раза больше заряда электрона +2He. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых элементов (золото, медь и др.). Если бы электроны были равномерно распределены по всему объёму атома (по модели атома Томсона), электроны не могли бы заметно изменять траекторию α –частиц, так как размеры и масса электронов в 8000 раз меньше массы α-частиц. Точно так же камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может изменить его скорость.
Чтобы обнаружить отклонение α-частиц на большие углы Резерфорд окружил фольгу экранами. Сотрудники Резерфорда вели счёт α-частиц, попадающих в регистрирующее устройство при отклонении их на от первоначального направления на определённый угол φ (фи). Данные из серии опытов, за определённый период времени, приведены в таблице:
В каком веке было открыто ядро атома
На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.
Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г. И. Бальмером были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.
В 1896 году А. Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными (, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.). Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи). Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.
В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.
Таким образом, на основании всех известных к началу XX века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы вещества имеют сложное внутреннее строение. Они представляют собой электронейтральные системы, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.
Перед наукой встал вопрос о внутреннем строении атомов.
От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка ) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.
Открытие атомного ядра (Резерфордом)
Это одно из фундаментальных открытий Резерфорда — открытие атомного ядра и планетарной модели атома. Мы видели, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона.
Однако в 1904 г. начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели. Уильям Брэгг (1862—1942) в Австралии, изучая прохождение α-частиц через вещество, нашел, что частицы не рассеиваются веществом, а поглощаются им, проходя в веществе до поглощения определенный прямолинейный отрезок — длину пробега. Одна из тем, выдвинутая Резерфордом в Манчестере — рассеяние α-частиц. Она была поручена Гейгеру и Марсдену.
Метод, применявшийся этими исследователями, заключался в следующем: α-частицы, испускаемые источником, диафрагмировались щелью и попадали на экран из сернистого цинка, на котором получалось изображение щели в виде узкой полоски. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую пластинку, изображение щели размывалось, что указывало на рассеяние α-частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.
Угол рассеивания
Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 г.,— существование больших углов рассеивания. Некоторая, очень небольшая часть α-частиц (примерно 1 /8000 ) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь, таким образом, обратно к источнику.
Рис. Установка Резерфорда no расщеплению ядра
Тонкая пластина отбрасывала частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же 1909 г. Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что α-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги.
Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающего вещества.
Исходя из модели Томсона, Резерфорд подсчитал, что это не может давать больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.
Когда α-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду α-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния Ф.
7 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α-и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».
Расчеты угла рассевания материала
где Ne — заряд в центре атома, е — заряд отклоняемой частицы, т — ее масса, и — ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния Ф, так что число рассеянных частиц на единицу площади пропорционально cosec 4 Ф/2. Этот «закон косеканса» был про верен экспериментально Гейгером и был найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.
Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено,— писал Резерфорд,— но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда».
Рис. П. Л. Капица
В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам. «Это была трудная, кропотливая работа,— характеризовал Резерфорд работу своих сотрудников,— так как нужно было считать много тысяч частиц.
Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией». Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд еще в 1913 г. считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.
Заряд ядра оказался важнейшей характе ристикой атома. Бор вспоминал, что в 1912— 1913 гг. «в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра». Далее он писал: «С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом…»
Заряд ядра
В 1913 г. Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. В том же 1913 г. Ф. Содди и К. Фаянс пришли к закону смешения Содди — Фаянса, согласно которому при α-распаде радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше, а при (3-распаде — на номер ниже. С точки зрения представления о номере элемента как о заряде ядра этот закон получает простое истолкование, К этому же времени Содди пришел к представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемента, ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.
Заметим, что эта интерпретация пришла в голову Бору еще до того, как Содди и Фаянс открыли закон смещения чисто эмпирически. Бор не связывал ее с моделью атома Резерфорда. Эта же модель, все плодотворное значение которой было осознано Бором во время его пребывания в Манчестере, была положена им в основу первой квантовой модели атома. В богатом событиями 1913 г, были опубликованы три знаменитые статьи Бора «О строении атомов и молекул», открывшие путь к атомной квантовой механике.
Статья на тему Открытие атомного ядра
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей