§ 30. З’явы, якія пацвярджаюць складаную будову атама. Ядзерная мадэль атама

Спробы растлумачыць структуру матэрыі прывялі антычных даследчыкаў да фармулёўкі ідэй атамізму. Атам у перакладзе з грэч.  (атам) азначае «непадзельны». Таму ў рамках гэтых уяўленняў атам не меў ніякай унутранай структуры. Аднак па меры назапашвання эксперыментальных даных стала зразумела, што атам зусім «не просты», паколькі мае свае састаўныя часткі. Якую будову мае атам? Якія мадэлі атама былі прапанаваны фізікамі? У чым іх адрозненні?

Атам гелію мае дадатна зараджанае ядро і два электроны, якія верцяцца вакол яго. Ядро атама гелію  з’яўляецца α-часціцай.

Старажытнагрэчаскі вучоны Дэмакрыт у V ст. да н. э. прыйшоў да ідэі аб існаванні драбнюткіх і непадзельных часціц, якія ён назваў атамамі. Праз больш чым 2,4 тыс. гадоў было даказана, што атам мае складаную структуру. Апошняе дзесяцігоддзе XIX ст. адзначылася найбуйнейшымі адкрыццямі ў фізіцы. Практычна адначасова былі адкрыты з’ява натуральнай радыеактыўнасці (А. Бекерэль, 1896 г.) і першая элементарная часціца — электрон (Дж. Дж. Томсан, Э. Віхерт, 1897 г.). Паколькі радыеактыўнае выпраменьванне ўтрымлівала дадатна і адмоўна зараджаныя часціцы, то натуральна было выказаць здагадку, што такія часціцы ўваходзяць у састаў атамаў. А з адкрыццём электрона стала ясна, што менавіта электроны ўваходзяць у састаў атама.
На пачатку XX ст. шырокае распаўсюджанне атрымала «пудынгавая» мадэль атама англійкага фізіка Джозефа Джона Томсана. Паводле гэтай мадэлі дадатны зарад раўнамерна размеркаваны па ўсім аб’ёме атама ў выглядзе нейкай аднароднай масы, якую Томсан назваў «сферай аднароднай дадатнай электрызацыі». Паколькі атам электрычна нейтральны, то электроны «плаваюць» у гэтым дадатна зараджаным асяроддзі
(як разыначкі ў пудынгу) і цалкам кампенсуюць яго дадатны электрычны зарад (мал. 186).

Для праверкі справядлівасці гэтай мадэлі атама англійскі фізік Эрнэст Рэзерфард з супрацоўнікамі ў 1911 г. правёў эксперыменты, вынікі якіх супярэчылі мадэлі атама Томсана.
Пучок α-часціц накіроўваўся на тонкую залатую фольгу таўшчынёй каля 400 нм (мал. 187), што адпавядала прыкладна 1600 слаям атамаў.
Светлавыя ўспышкі ад часціц, якія прайшлі праз фольгу, рэгістра­валіся на экране, пакрытым спецыяльным рэчывам, з дапамогай мікра­скопа.
Зыходзячы з мадэлі атама Томсана з прычыны раўнамернага размеркавання зараду па ўсім аб’ёме атама чакалася, што пры сутыкненні α-часціц з атамамі яны лёгка пройдуць праз фольгу і будуць мала адхіляцца ад прамалінейнай траекторыі (рассейвацца). Пры гэтым карціна іх рассейвання павінна была быць прыкладна такой, як на малюнку 188.

Аднак атрыманыя вынікі эксперыментаў зусім не адпавядалі вынікам разлікаў Рэзерфарда. У эксперыментах значная частка α-часціц сапраўды адхілялася ад напрамку свайго пачатковага руху на малыя вуглы Θ (ад нуля да 4°—6°). Але былі і такія часціцы, якія рассейваліся на вуглы, большыя за 90° (мал. 189), або нават вярталіся назад. Як пісаў Рэзерфард: «Гэта было амаль гэтак жа непраўдападобна, як калі б вы зрабілі стрэл па кавалачку папяроснай паперы 15-цалевым снарадам, а ён вярнуўся б назад і патрапіў у вас».

Прыкладна адна з 20  000 α-часціц мела адхіленне на вугал, большы за 90°, адна з 40  000 — на вугал, большы за 120°, а адна з 70  000 — на вугал, большы за 150°.
Вынікі эксперыментаў сведчылі, што ўнутры атама ёсць вельмі моцнае электрычнае поле, якое ствараецца дадатным зарадам, сканцэнтраваным у вельмі малым аб’ёме. Рэзерфард прапанаваў для гэтага зараду тэрмін «ядро». Памер ядра малы, але ў ім засяроджана практычна ўся маса атама. Пры набліжэнні дадатна зараджанай a-часціцы да ядра, у адпаведнасці з законам Кулона, узнікае вялікая сіла адштурхвання, якая істотна змяняе траекторыю a-часціц (мал. 190, а)

У мадэлі атама Томсана электрычнае поле адпавядае электрычнаму полю раўнамерна зараджанага па аб’ёме шара (мал. 190, б), і пры набліжэнні да цэнтра атама модуль яго напружанасці імкнецца да нуля. Такім чынам, у гэтым выпадку не было б α-часціц, рассеяных на вялікія вуглы.
На падставе аналізу вынікаў праведзеных эксперыментаў Рэзерфард у 1911 г. прапанаваў ядзерную мадэль атама (мал. 191, а, б), асноўныя палажэнні якой наступныя:

1) у цэнтры атама размешчана ядро памерам , яго зарад , дзе Z — парадкавы нумар элемента ў перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева (мал. 191, а);
2) амаль уся маса атама (99,96 %) засяроджана ў дадатна зараджаным ядры (мал. 191, б);
3) ядро абкружаюць Z рухомых электронаў, якія ўтвараюць электронную абалонку атама. Сумарны зарад электронаў  таму атам у цэлым электрычна нейтральны.

Падкрэслім, што электроны не могуць зна­ходзіцца ў спакоі ўнутры атама, паколькі ў гэтым выпадку пад дзеяннем сіл прыцягнення Кулона да ядра яны зваліліся б на яго. Адгэтуль вынікае, што электроны верцяцца вакол ядра па пэўных арбітах.
Мадэль атама Рэзерфарда называюць таксама планетарнай, паколькі яна нагадвае нашу Сонечную сістэму, у якой планеты верцяцца па вызначаных арбітах вакол масіўнага цэнтра — Сонца.

Прагрэсіўнасць ядзернай мадэлі атама заключалася ў тым, што на яе падставе былі растлумачаны эксперыментальныя даныя, атрыманыя пры вывучэнні рассейвання a-часціц. Аднак далейшы аналіз паказаў, што яна супярэчыла законам класічнай механікі і электрадынамікі, паколькі не дазваляла растлумачыць факт стабільнасці існавання атама.
Сапраўды, па-першае, у адпаведнасці з законамі класічнай электра­дынамікі Максвела пры паскораным руху электронаў па арбітах яны павінны бесперапынна выпраменьваць электрамагнітныя хвалі, частата якіх павінна быць роўна частаце абарачэння электронаў вакол ядра.
Па-другое, пры выпраменьванні электроны павінны былі губляць энергію і «зваліцца» на ядро за прамежак часу парадку 10–13 с (мал. 192). У такім разе атамы павінны былі быць няўстойлівымі і мець вельмі кароткі час жыцця.
Па-трэцяе, частата абарачэння электрона вакол ядра (па меры на­бліжэння да ядра) павінна была змяняцца плаўна, бесперапынна, паколькі частата выпраменьвання заўсёды роўна частаце ваганняў крыніцы. Аднак у праведзеных эксперыментах назіралася скачкападобнае змяненне частаты выпраменьвання, г. зн. набор асобных спектральных ліній, па­дзеленых цёмнымі прамежкамі.
Такім чынам, тлумачэнне будовы і ўласцівасцей атама на падставе механікі Ньютана і электрадынамікі Максвела не з’яўлялася поўным, паколькі часткова прыводзіла да супярэчнасцей з эксперыментам.

Назваць найменшы адмоўны зарад электронам прапанаваў у 1891 г. брытанскі фізік Джордж Джонстан Стоні, а ў 1897 г. ірландскі фізік Джордж Фрэнсіс Фіцджэральд прапанаваў выкарыстоўваць гэты тэрмін у якасці назвы самой часціцы. Мадэль атама Рэзерфарда з выявай электронных арбіт стала папулярнай эмблемай XX ст. Так, на малюнку 193 паказана эмблема фізічнага факультэта Беларускага дзяржаўнага ўніверсітэта.

Пытаннi да параграфу

1. Растлумачце сутнасць мадэлі атама Томсана.
2. Растлумачце схему эксперыментаў Рэзерфарда па рассеянні α-часціц.
3. Чаму фольга ў эксперыментах Рэзерфарда павінна быць найтанчэйшай?
4. Растлумачце прычыну рассейвання a-часціц атамамі рэчыва.
5. Сфармулюйце асноўныя палажэнні ядзернай мадэлі атама.
6. Пакажыце схематычна відарыс ядзернай мадэлі атама.
7. Чаму ядзерную мадэль атама называюць таксама планетарнай? Якія элементы мадэлі з’яўляюцца аналагамі планет?
8. Якія супярэчнасці ўзнікаюць пры тлумачэнні працэсаў выпраменьвання энергіі атамамі на падставе класічнай механікі і электрадынамікі пры выкарыстанні ядзернай мадэлі атама?
9. Вызначыце поўны зарад усіх электронаў у атаме: а) вугляроду; б) кіслароду; в) жалеза.
10. Вызначыце хімічны элемент, поўны зарад ядра атама якога роўны:

а)  ; б) ;  в) .