Элементарные частицы

1.2. Атом Джозефа  Джона Томсона

Дж. Дж. Томсон (1856-1940)

С 1895 года выдающийся английский ученый-физик Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги этой работы были опубликованы 1 1897 году в октябрьском номере журнала « Philosophical Magazine». В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления, чем атомы, Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 года. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в «Electrican» 21 мая 1897 г. Эту модель атома Томсона назвали (модель «Пудинг с изюмом»). За представленное открытие Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике. Дж. Дж. Томсон определил отношение заряда электрона к его массе, благодаря чему электрон окончательно обрел статус реального физического объекта, а также стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

Эксперимент Томсона являлся  вариантом опыта Жана Перрена. В  опыте Томсона цилиндр с отверстием располагался не перед катодом, а  сбоку от него, для чего была изменена геометрия самой трубки. В этом случае изначально наблюдалась флюоресценция  стеклянной стенки трубки, но она исчезала, когда катодные лучи отклоняли магнитом и «уводили» в отверстие цилиндра, связанного с электроскопом, который регистрировал отрицательный заряд. Благодаря этому эксперименту появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля. «Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что:

1. Катодные лучи откланяются в магнитном поле в отсутствие электрического.
2. Катодные лучи откланяются в электрическом поле в отсутствие магнитного.
3. При одновременном действии электрического и магнитных полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, то есть действие двух полей взаимно уравновешивается».

Томсон выяснил, что соотношение  между электрическим и магнитным  полями, при которых их действия уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя  ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно  медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами, поскольку любое электромагнитное излучение, включая сам свет, распространяется со скоростью света. Эти неизвестные  частицы Томсон назвал «корпускулами», которые вскоре стали называться «электронами». Так было доказано, что свечение стенки трубки и зарядку цилиндра вызывают одни и те же частицы. 

Однако, модель атома Томсона не предполагала внутри атома положительно заряженных частиц. Как известно, атом электрически нейтрален, из чего следовало, что в его состав должна была входить еще одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Модель атома Томсона этого не объясняла. Положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 году английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах.

1.3. Планетарная  модель атома Бора-Резерфорда

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

В 1911 году английский физик  Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, предложил новую модель атома. Исследуя прохождение через тонкие пластинки а-частиц (ядра гелия) Резерфорд обнаружил сильное их отклонение на углы, превышающие 90◦. Это привело к открытию ядра атома и разработке ядерной (планетарной) модели атома. Согласно его теории, положительно заряженные частицы сосредоточены в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятся на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. При этом электроны внутри атома не могут покоиться, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг солнца. Эта модель, подобна крошечной модели Солнечной системы. Этот эксперимент позволил ученым заглянуть вглубь атома и получить представление о его строении.

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд  построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый  ящик с узкой прорезью, внутрь которой  был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые  радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались  свинцовым экраном, и лишь через  прорезь вылетал направленный пучок  альфа-частиц. Далее на пути пучка  стояло еще несколько свинцовых  экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного  направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный  пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним ученый мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы откланяются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги. В результате этого эксперимента, Резерфорд заключил, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц также вытекало, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал «ядрами», сосредоточен весь положительный электрический заряд атома.

Сделав свое открытие, Резерфорд  сразу же выдвинулся в число основоположников атомной и ядерной физики. Однако модель атома Резерфорда имела свои недостатки. В ней не решался вопрос, как размещаются электроны в околоядерном пространстве. Планетарная модель Резерфорда находилась в противоречии с выводами классической электродинамики, касающимися излучения ускоренно движущихся заряженных частиц. Согласно классической физике следовало, что в нормальном состоянии электроны, входящие в состав атома, должны быть неподвижны и находиться в состоянии устойчивого равновесия. Существовала следующая аргументация: в соответствии с законами механики Ньютона, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, согласно уравнениям Максвелла, он должен излучать электромагнитные волны и, терять энергию (в силу закона  сохранения энергии) и вскоре сойти с орбиты и упасть на ядро. Расчеты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадет на ядро, совершенно ничтожно.

Нильс Бор (1885-1962)

Выход из описанного затруднения  нашел ученик Томсона, а затем  Резерфорда датский физик Бор, Нильс  Хенрик Давид. Нильс Бор ясно понял, что нужно сохранить планетарную модель атома, введя в нее фундаментальные идеи квантовой теории. Основанием послужили известные Бору к тому времени работы М. Планка и А. Эйнштейна по анализу спектра излучения атомов и фотоэффекту. Эти работы показывали, что изменение состояния микрообъекта возможно лишь при изменении его энергии строго определенными пропорциями, которые назвали квантами. Таким образом, Бор взял за основу атом Резерфорда. В 1913 году Нильс Бор нашел решение проблемы устойчивости атома. Это решение опиралось на законы, определяющие оптические спектры элементов, и прежде всего спектр атома водорода.

Атом водорода простейший, его ядро это положительно заряженная элементарная частица – протон вокруг которого, движется отрицательно заряженный электрон. Чем ближе орбита электрона к атомному ядру, тем меньше запас энергии атома, потому что с уменьшением расстояния между двумя электрическими зарядами разных знаков их общая энергия убывает. Бор предположил, что в атоме электроны могут двигаться только по определенным орбитам, которые называют разрешенными. С орбиты на орбиту электрон переходит только скачком. Если электрон переходит с какой-то разрешенной орбиты на более близкую к ядру, то атом испускает энергию в виде кванта электромагнитного излучения. Если же электрон переходит на дальнюю орбиту, то для этого атом должен поглотить квант энергии, равный разности между энергией атома, когда его электрон находится на дальней орбите, и энергией атома до поглощения кванта. Где слово квант – это наименьшее количество какой-нибудь физической величины, обладающее самостоятельным существованием.

В результате своей работы Бор выдвинул три постулата о разрешенных (стационарных) орбитах атома.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает электромагнитные волны.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний. 

Hv=En-Em (где En и Em - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения. 

Третий постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные значения момента импульса.

Переходу электрона со стационарной орбиты под номером  т на стационарную орбиту под номером  п соответствует переход атома  из состояния с энергией Em в состояние  с энергией En. При En > Em, происходит излучение фотона (переход атома  из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. переход электрона с более  удаленной от ядра орбиты на более  близлежащую), при En < Em - его поглощение (переход атома в состояние  с большей энергией, т. е. переход  электрона на более удаленную  от ядра орбиту). Набор возможных  дискретных частот

v = (En - Em)/ h

квантовых переходов и  определяет линейчатый спектр атома.

Исходя из приведенных  постулатов, Бор рассчитал радиусы  возможных орбит для электрона  и нашел, что они относятся  как квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3: … n. Где величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайший к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит.

Построенная на этих постулатах теория Бора сделала важный шаг в развитии квантовой теории излучения, квантовой механики. Она позволила точно «рассчитать» атом водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра. Однако построить количественную теорию для более сложных атомов не удалось. За заслуги в изучении строения атома в 1922 году Н. Бор был удостоен Нобелевской премии по физике.

В 1919 году Резерфордом было сделано новое сенсационное открытие – расщепление ядра. Резерфорд изучал столкновение а-чатиц с легкими атомами. Столкновение а-частицы с ядрами таких атомов должны их ускорять. Таким образом, Резерфорд выяснил, что при ударе а-частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза, и ядро отбирает у а-частицы 64% ее энергии. Резерфорд использовал прибор, который представлял собой латунную камеру длинной 18 см, высотой 6см и шириной 2см. Источником для а-частиц служил металлический диск, покрытый активным веществом, который помещался внутри камеры и мог устанавливаться на разных расстояниях от экрана из сернистого цинка. Камера могла заполняться различными газами, в данном случае применялся азот.

В результате проведенных  опытов ученый показал, что в результате таких столкновений получаются частицы с максимальным пробегом, таким же как у атомов водорода. Резерфорд предположил, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении а-частиц с азотом, являются не атомами азота, а по всей вероятности атомами водорода или атомами с массой 2. Вследствие чего атом азота распадается в результате громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой а-частицей, и освобождающийся водородный атом образует составную часть атома. Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых альфа-частиц и впервые была высказана мысль, что ядра водорода  представляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд для составной части ядра предложил термин «протон».

Становилось ясно, что атом как целое был электрически нейтральным, поскольку число протонов в его  ядре равнялось числу окружающих ядро электронов. Однако такое число  протонов не согласовалось с массой атомов, за исключением случая с  простейшим водородом. Чтобы устранить такое расхождение Резерфорд в 1920 году предложил, что ядра могут содержать электрически нейтральные частицы, которые позднее он назвал нейтронами, образованные соединением электрона и протона.

Позднее в 1932 году английский физик и ученик Эрнеста Резерфорда, Джеймс Чедвик исследуя излучение, возникающее при бомбардировке бериллиевой мишени альфа-частицами, показал, что оно представляет собой поток нейтральных частиц – нейтронов. Таким образом, в 1932 году Дж. Чедвик открыл элементарную частицу, не обладающую электрическим зарядом, обладающей массой немного превышающей массу протона (1,008665 углеродных единиц). В журнале «Нэйчур» 27 февраля 1932 года была опубликована статья Джеймса Чедвика, которая называлась «Возможность существования нейтрона», где он предположил, что излучение состоит из частиц с массой 1и зарядом 0, то есть из нейтронов. Эксперименты и расчеты, проделанные другими физиками в этой же области, подтвердили выводы Чедвика, и существование нейтрона было быстро признано. Таким образом, было признано, что нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. В ноябре 1935 года Джеймс Чедвик получил Нобелевскую премию по физике за открытие нейтрона.