Страница 90 из 120
Опыты Резерфорда, показавшие неприемлемость модели атома Дж. Дж. Томсона, заключались в следующем. Имеющие высокую скорость а-частицы направлялись на тонкий слой вещества (например, фольгу). Эффект получался двух родов: подавляющее большинство «-частиц только немного изменяло свою траекторию — под влиянием электрического поля атомов вещества происходило рассеяние α-частиц; небольшое число а-частиц, наоборот, как бы встретившись с непреодолимым препятствием, резко (более чем на 90°) изменяло направление своего полета.
Все эти опыты были проделаны с большой виртуозностью. Были разработаны методы сцинтилляций (возбуждение заряженными частицами в некоторых веществах световых вспышек — сцинтилляций — и их регистрация) и газоразрядных счетчиков.
На основании этих опытов Резерфорд пришел к выводу, что в атомах существуют ядра— положительно заряженные микрочастицы, размер которых (приблизительно 10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (около 10-8 см), но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Таким образом, а-частица резко изменяет направление своего пути, когда наталкивается на ядро.
Открытие ядер атомов было очень крупным событием в развитии атомной физики. Вот что пишет по этому поводу один из наиболее известных физиков — Нильс Бор: «В текущем столетии изучение вновь открытых свойств материи, таких, как естественная радиоактивность, убедительно подтвердило основы атомной теории. В частности, благодаря развитию усилительных свойств стало возможным изучать явления, существенно зависящие от отдельных атомов, и даже удалось получить обширные сведения о структуре атомных систем. Первым шагом было признание того, что электрон является общей составной частью всех веществ; дальнейшим шагом, существенно дополнившим наши представления о строении атома, было открытие Резерфордом атомного ядра, где в чрезвычайно малом объеме сосредоточена почти вся масса атома. Неизменяемость свойств элементов при обычных физических и химических процессах непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана и взаимная превращаемость атомных ядер под действием более мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией. Как хорошо известно, эти исследования должны были в конечном счете привести к возможности освобождать огромные количества энергии, запасенные в атомных ядрах»[316].
Рис. 44. Линейчатый спектр водорода.
Установив существование атомных ядер, Резерфорд предложил в 1911 г. свою модель атома, которая получила название планетарной модели атома Резерфорда. Действительно, новая модель атома напоминает Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.
Но планетарная модель атома Резерфорда также имела свои неразрешимые противоречия. Дело заключается в следующем. Электроны обязательно должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они потеряли бы устойчивость. В то же время, согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро.
Есть и еще одно противоречие. В соответствии с законами электродинамики частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что то же) числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает другое: атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называются линейчатыми (рис. 44). Другими словами, планетарная модель Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.
Следующая, предложенная Бором модель атома была основана на квантовой теории. Один из крупнейших физиков XX в. — датчанин Нильс Бор (1885–1962) родился и окончил университет в Копенгагене. Работал в Кембриджском университете под руководством Дж. Дж. Томсона и в Манчестерском университете под руководством Резерфорда. В 1916 г. был избран заведующим кафедрой теоретической физики Копенгагенского университета, с 1920 г. и до конца жизни руководил созданным им в Копенгагене Институтом теоретической физики, который теперь носит его имя. В 1943 г., во время оккупации Дании гитлеровцами, Бор, видя, что над ним готовится расправа, с помощью организации Сопротивления перебрался на лодке в Швецию, а затем переехал в США. После окончания войны он возвратился в Копенгаген.
Созданная Бором модель атома основывалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им самим в 1913 г. квантовой теории строения атома. Бором были сформулированы два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:
1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым (на которых) электрон может существовать, но излучая[317];
2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон (атом) излучает или поглощает порцию энергии:
ΔE = hv = E1 — E2,
где V, с-1 — частота излучаемой или поглощаемой электромагнитной энергии[318]; h = 6,62·10-27 эрг·с — постоянная Планка.
Из постулатов Бора следует, что предложенная им в 1913 г. модель атома являлась как бы «дополненной и исправленной» планетарной моделью.
Действительно, понятными стали линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного стационарного состояния в другое. На рис. 45 представлены энергетические уровни атома водорода, изображенные горизонтальными линиями. Частоты переходов представлены вертикальными линиями, длина которых пропорциональна частоте. Буквы W1, W2, W3 и т. д. обозначают энергию стационарных уровней атома водорода: N1, N2, Nз и т. д. — квантовые числа.
Рис. 45. Стационарные уровни энергии атома водорода и частоты спектров (переходов).
Постулаты Бора объясняют устойчивость электронов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Было также установлено, что переход электрона на более далекую от ядра орбиту приводит к увеличению энергии атома и, наоборот, переход электрона на орбиту, более близкую к ядру, вызывает уменьшение энергии атома.
Следует отметить, что модель, предложенная Бором, была встречена с явным недоверием. Этому способствовала ее кажущаяся внутренняя противоречивость. Действительно, орбиты электронов, по Бору, вычислялись на основе законов классической физики, но только некоторые из них, подчиняющиеся дополнительному, ничем не обоснованному правилу, считались реальными. Далее, вопреки классической физике, принималось, что электроны, двигаясь по этим избранным орбитам, не излучают; постулировалось, что элементарный акт излучения происходит при «перескоке» электрона с одной орбиты на другую.
316
Бор И. Атомная физика и человеческое познание. М., 1061, с. 99—100.
317
Напомним, что, согласно классической физике, движение заряженного электрона но траектории, отличной от прямой линии. сопровождается излучением.
318
Согласно классической физике, частота излучения не связана с количеством излучаемой энергии.