Первые представления об атомах как исключительно неделимых мельчайших частицах появились еще в античные времена, однако только в XVIII столетии удалось доказать реальность существования этих элементов.
Сам вопрос об их внутреннем устройстве не возникал, следовательно, атомы и далее считались абсолютно неделимыми. В начале XIX века исследование атомистического строения физических тел значительно продвинулось вперед.
В 1833 году при проведении очередного эксперимента, связанного с принципами работы электролиза, ученые определили, что ток в растворе исследуемого предмета представляет собой упорядоченное движение положительно заряженных частиц – ионов. В итоге был установлен минимальный заряд иона, названный электрическим элементарным зарядом. Его приближенное значение равняется $e = 1,60 • 10^{–19}$ Кл$..
На основании проведенных опытов можно было сделать главный вывод о существовании внутри атомов огромного количества электрических зарядов. Значимую роль в развитии атомистической идеи сыграл известный русский химик Д. И. Менделеев, который в 1869 году представил общественности периодическую систему элементов, обозначающую необходимость в единой природе атомов.
Важным доказательством сложной структуры мельчайших частиц стали спектроскопические учения, которые привели физиков к открытию линейчатых постоянных спектров всех атомов. В начале XIX столетия разрабатывались дискретные линии в излучении световых волн атомов водорода в видимой части самого спектра. Благодаря таким открытиям, удалось установить математические закономерности, которые связывают длины волн действующих линий.
В 1897 году Дж. Томсон стал первооткрывателем электрона, измерив отношение заряда основного элемента к массе. Эксперименты Томсона подтвердили предположение о том, что электроны в обязательном порядке находятся в составе атомов.
Таким образом, на базе всех известных к началу прошлого века экспериментальных подтверждений можно утверждать, что атомы вещества достаточно многогранны и имеют сложное внутреннее строение. Они являются электро-нейтральной системой, причем электроны выполняют роль носителей отрицательного заряда веществ, масса которых составляет только малую часть атомов.
Опыт Резерфорда и ядерная модель атома
Резерфорд Эрнст (1871-1937 гг.) – выдающийся английский физик-теоретик, один из разработчиков учения о строении атома и радиоактивности, учредитель научной школы, зарубежный член-корреспондент РАН и почетный представитель АН СССР.
Ученый в ходе своей научной деятельности открыл множество закономерностей в физике и доказал, что модель Томсона неполноценна и неверна. Резерфорд предложил использовать зондирование веществ посредством $a$-частиц, которые формируются при радиоактивном расслоении радия и некоторых других химических элементов. Масса $a$-частиц примерно в 7300 раз больше веса электрона, а положительный заряд возможно приравнять к удвоенному элементарному заряду. В своих работах Резерфорд постоянно использовал $α$-частицы с определенной кинетической энергией в 5 МэВ (скорость таких тел достаточно велика – приблизительно 107 м/с, но все же существенно меньше скорости света).
$a$-частицы – это абсолютно ионизированные атомы гелия, которые были открыты при исследовании явления радиоактивности.
Этими элементами Резерфорд «атаковал» атомы более тяжелых химических элементов. Ученый утверждал, что входящие в состав атомов электроны не могут кардинально изменить траекторию частиц из-за своей малой массы. Рассеяние и изменение изначального направления движения α-частиц способна вызвать только тяжелая «артиллерия».
Радикальные выводы о внутреннем строении атома, которые следовали из опытов Резерфорда, заставляли многих исследователей сомневаться в их реальности и справедливости. Не стал исключением и сам Резерфорд, в результате чего его работы были опубликованы в научных журналах только через два года после выполнения первых экспериментов. Базируясь на классических представлениях о хаотичном движении микрочастиц, английский физик предложил планетарную модель атома. Согласно данной концепции, в центре атома есть положительно заряженное ядро, в котором в основном сосредоточена практически вся масса элемента. Атом в общем нейтрален, однако зачастую быть в состоянии покоя электроны постоянно не могут, так как они в итоге упали бы на ядро.
Какие частицы открыл Резерфорд?
В изучении нестабильного радиоактивного излучения и поглощения Резерфорд был не первым. До него эту научную сферу активно осваивали ученый Беккерель и супруги Кюри. Процессы радиоактивности были открыты совсем недавно, а энергия так и считалась внешним источником. Внимательно исследуя урановые соли и их характеристики. Резерфорд отметил, что открытые Беккерелем лучи являются неоднородными.
Эксперимент Резерфорда с фольгой доказал, что радиоактивный луч делится на три потока частиц:
- один поток полностью поглощается алюминиевой фольгой;
- другой может проходить сквозь неё.
- третий - это множество мелких элементов, названных физиками альфа- и бета-частицами или лучами.
То, какие микрочастицы открыл Резерфорд, оказало существенное влияние на развитие атомной физики.
Был совершен сенсационный прорыв и доказано, что энергия изначально исходит из самих атомов урана. Альфа-частицы стали положительно заряженными атомами гелия, бета-частицы выполняли роль электронов. Открытые позже гамма-частицы представляли собой электромагнитное излучение.
Радиоактивный распад
Открытие Резерфорда дало хороший толчок не только физике как науке, но и ему самому. Он решил продолжить изучать радиоактивность в Монреальском университете, расположенном на территории Канады. Вместе с исследователем Содди они провели ряд экспериментов, посредством которых определили, что атом изменяется в ходе испускания своих частиц. Подобно средневековым алхимикам, ученые трансформировали уран в свинец, совершая очередную научную сенсацию. Так был открыт радиоактивный распад. Данный закон Резерфорд и Содди описали в работе «Радиоактивное превращение».
Физики-теоретики определили прямую зависимость интенсивности распада от числа действующих в образце радиоактивных атомов, а также от прошедшего времени.
Было выявлено, что с течением времени активность и интенсивность распада уменьшается строго в геометрической прогрессии. Для каждого вещества необходимо свое время. На основе скорости распада ученый в дальнейшем сформулировать принцип полураспада.
Резерфорд был талантливым экспериментатором своего времени. Поэтому, усомнившись в модели и теории Томсона, он решил доказать свои убеждения опытным путем. Томсоновский атом имеет форму шарообразного облако из электронов, где все альфа-частицы должны были бы свободно проходить сквозь фольгу. Для эксперимента Резерфорду пришлось сконструировать специальный прибор из свинцового ящика с отверстием, в котором он разместил радиоактивный материал. Ящик полностью поглощал альфа-частицы во всех направлениях, кроме того, где располагалось отверстие. Так формировался направленный поток частиц. Впереди находилось два свинцовых экрана с определенными прорезями, чтобы отсеять ненужные частицы, внезапно отклоняющиеся от заданного курса.
Британский ученый Эрнест Резерфорд приобрел популярность среди коллег тягой к новым, уникальным экспериментам. За всю жизнь исследователь провел множество опытов, благодаря которым смог открыть альфа- и бета-частицы, описать закон распада и полураспада, сформулировать планетарную модель атома. До него считалось, что энергетический потенциал является исключительно внешним источником. Но после того, как научный мир узнал, какие частицы создал и открыл Резерфорд, физики изменили свое скептическое мнение. Достижения ученого помогли науке сделать огромные шаги в развитии химии и физики, а также способствовали возникновению такой отрасли как ядерная физика.
