8. Физика атома и атомного ядра

8.1. Развитие представлений о природе атома

Гипотеза об атомном строении материи существовала со времен Демокрита (п.2.1.1). Ньютон предложил картину мира, в которой абсолютная пустота частично заполнена материей, состоящей из абсолютно твёрдых неделимых атомов.

Однако, результаты опытов (электризация трением, взаимодействие зарядов, химические превращения веществ, электролиз, газовый разряд, радиоактивность и др.), накопленные к концу XIX в., ставили под сомнение элементарное строение атома. Менделеев построил систему химических элементов на основе периодического изменения структуры атомов, химические реакции указывали на то, что молекулы могут распадаться на части, участвующие в образовании новых молекул, причём «связующим материалом» являются электрические заряды.

Непосредственное наблюдение микромира невозможно и учёные строили гипотезы на основе анализа опытов по электролизу, химическим превращениям, процессам в газоразрядных трубках и др.

Одним из способов изучения и дифференциации частиц было определение отношения их заряда к массе: . При движении частицы с зарядом q в однородном электрическом поле (вдоль линии напряжённости) на неё действует сила F_э = qE (п.5.1.1.5), в однородном магнитном поле (нормально к его силовым линиям) – сила F_л = qvB (п.5.2.3).

Одним из распространённых опытов было движение ионов в газоразрядной трубке в электрическом и магнитном полях. Регистрация частиц проходила либо в виде сцинтилляций (искрения) при попадании частиц на светящееся вещество в конце трубки, либо они засвечивали фотопластинку, либо как-то ещё.

Если действия электрического и магнитного полей скомпенсированы и частица не отклоняется (qE = qvB), то . Зная v и длину трубки , можно определить время движения . Выключив электрическое поле при известных х, у и t, определяют период движения частиц Т, (п.5.2.3.1), откуда и (п.5.2.3.1).

Таким образом, о частицах судили по их . Из всех известных тогда частиц с минимальным зарядом наименьшей массой обладал ионизированный атом Н⁺.

В 1895 г. Жан Перрен (1870–1942, Франция) собрал катодные лучи (п.7.5.10) в изолированном сосуде и доказал, что они несут отрицательный заряд. Джозеф Томсон (1856–1940, Англия) предположил, что катодные лучи есть поток отрицательно заряженных частиц. Он поставил эксперимент по их отклонению в электрическом и магнитном полях и определил, что заряд каждой частицы по значению равен заряду иона Н⁺, а отношение для неё таково, что её масса примерно в 2000 раз меньше массы Н⁺.

Эту частицу назвали «электрон» (е). Равенство значений зарядов е и Н⁺, отсутствие заряда у нейтрального атома Н и опыты по электролизу привели учёных к мысли, что нейтральный атом водорода состоит из положительно заряженной части, в которой сосредоточена практически вся его масса и отрицательно заряженной части, масса которой пренебрежимо мала.

Таким образом, на рубеже XIX–XX веков учёные укрепились в мысли, что атомы имеют сложную структуру и состоят из более мелких частиц.

8.1.1. Модель Томсона

Основываясь на теории Максвелла и опытах по изучению спектров испускания атомов разных веществ, Томпсон показал, что их ЭМВ излучаются колебаниями электрического заряда, сосредоточенного в области пространства радиусом  10^–10 м, что хорошо согласуется с размерами атома, полученными в молекулярной физике (п. 2.2.4). При этом изучению подверглись возбуждённые (например в пламени свечи) атомы. Исходя из предположений, что:

1) наименьшим положительным зарядом обладает ионизированный атом Н⁺;

2) наименьшим отрицательным зарядом (равным по значению заряду иона Н⁺) обладает электрон;

3) основная масса атома приходится на положительно заряженную часть (масса электрона ничтожно мала);

4) более сложные атомы имеют большее (кратное наименьшему) значение положительных и отрицательных зарядов,

Томсон предложил следующую модель атома: по всему объёму (вероятнее всего шарообразному) с равномерной плотностью распределён положительный заряд, в который (подобно изюминкам в кексе) вкраплены электроны. При этом атом удерживается в стационарном состоянии кулоновскими силами и заряды в нём неподвижны.

Излучение возбуждённых атомов Томсон объяснял тем, что неподвижные электроны при возбуждении поглощают энергию и начинают колебаться, излучая ЭМВ. Массивный положительный заряд атома при этом остаётся неподвижным. Однако, модель Томсона находилась в противоречии с теоретическими выводами учёных об устойчивости атома только за счёт электрических сил, и впоследствии опыты Эрнеста Резерфорда (1871–1937, Англия) показали несостоятельность этой модели.