Атомное ядро

Открытие в атоме электронов подняло еще целый ряд непростых вопросов.

Известно, что заряд атомов нейтрален, значит, если внутри атома есть отрицательно заряженные электроны, то должен быть и носитель компенсирующего положительного заряда. Что же является носителем этого заряда и почему легкие положительно заряженные частицы не выделяются под действием света? Почему существуют только катодные, а не анодные лучи?

Ответ на вопрос дал Томсон. В 1898 году он сделал предположение, что атом — это твердая положительно заряженная сфера, внутри которой, как изюм в булочке, находятся электроны, благодаря которым заряд атома и остается нейтральным.

Это предположение многое объясняло, и теория Томсона показалась ученой общественности крайне привлекательной. Свет конечно же мог освободить несколько крошечных электронов, но вряд ли мог сдвинуть с места огромный положительно заряженный атом. В вакууме электроны действительно будут испаряться с нити накаливания, однако атом останется нетронутым: согласно кинетической теории (см. ч. I) при повышении температуры атомы начнут лишь сильнее колебаться, в то время как электроны просто «сорвутся» со своих мест. Это объясняет, почему положительно заряженные частицы никогда и нигде не были обнаружены.

Кроме того, теория Томсона объясняла и происхождение ионов. Когда атом теряет свои электроны, у него все равно остается положительный заряд, величина которого зависит от количества потерянных электронов. Например, ион водорода (Н+) и ион натрия (Na+) — это атомы водорода и натрия, потерявшие единственный электрон. Ион кальция (Са++) — это потерявший оба электрона атом кальция, а ион алюминия (Аl+++) — это атом алюминия без трех электронов.

А что произойдет, если, наоборот, добавить атому пару электронов? Ион хлора (Cl–) — это атом с хлора с «лишним» электроном. Если же добавить сульфату два, а фосфату — три электрона, то образуются сульфат (SO4––) и фосфат (PO4–––) ионы.

Таким образом, по Трмсону, отрицательно заряженные электроны являются единственными субатомными частицами, но с их помощью можно объяснить существование и отрицательно, и положительно заряженных ионов.

Но у такой привлекательной на первый взгляд теории Томсона был один серьезный недостаток. Ленард обнаружил, что состоящие из электронов катодные лучи могут проникать сквозь различные предметы. Тогда если атом, как утверждал Томсон, является твердой сферой, то электронам, хотя они и крайне малы, все равно приходится буквально протискиваться между атомами других веществ. В этом случае после столкновения с преградой катодный луч должен рассеиваться, однако этого не происходит. Пройдя сквозь препятствие, пучок электронов остается таким же «кучным». Получается, что электроны проходят мимо атомов, не встречая особого сопротивления.

В 1903 году Ленард предположил, что атом на самом деле вовсе не твердое тело, а, по сути, пустота. По мнению ученого, атом состоял из электронов и равного им количества положительно заряженных частиц, благодаря которым заряд атома и оставался нейтральным.

Но почему тогда не существует анодных лучей?

Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) примирил взгляды Ленарда и Томсона. Начиная с 1906 года он провел серию экспериментов, в ходе которых облучал тонкие золотые листы альфа-частицами[122]. Под листами находилась фотопластинка.

Поток альфа-частиц с легкостью «пробивал» лист золота, словно того и вовсе не было, и засвечивал фотопластинку. Хотя толщина листа всего лишь 1/50000 см, это все равно 20 000 атомов. Тот факт, что альфа-частицы с легкостью проходили сквозь 20 000 атомов, был доводом в пользу «пустого» атома Ленарда, то есть атома, состоящего лишь из нескольких легких частиц, разделенных пустотами.

Но самое интересное заключалось в том, что не все альфа-частицы проходили сквозь золотой лист беспрепятственно. Если альфа-луч не встречает на своем пути преград, то на фотопластинке остается четкий отпечаток. Однако если между источником альфа-излучения и фотопластинкой поместить лист золота, то контур отпечатка становится размытым. Проходя сквозь металл, альфа-частицы отклоняются от своей траектории на несколько градусов, а каждая восьмитысячная частица — на 90° и более!

Но почему? Почему практически все альфа-частицы легко проходят сквозь золото нетронутыми и лишь небольшая их часть так сильно меняет траекторию своего полета? Ведь масса альфа-частицы в 7350 раз больше массы электрона и в 4 раза больше массы атома водорода. Так что даже если альфа-частица столкнется с электроном, то она просто сметет его. Траектория изменится только в случае столкновения с объектом, масса которого приближается к массе атома. А поскольку лишь некоторые частицы встречают преграды на своем пути, размеры этого объекта должны быть крайне малы.

Это как мыльный пузырь, в центре которого находится свинцовый шарик. Если стрельнуть по такому пузырю дробью, то большинство дробинок пройдет сквозь него беспрепятственно, но некоторые попадут в шарик и отскочат от него. Зная частотность рикошетов, можно высчитать приблизительные размеры пузыря и шарика.

Но этот пример не совсем точно отображает суть происходящего. Альфа-частицы не сталкиваются с объектом внутри атома физически. Резерфорд доказал: взаимодействие между ними имеет электрическую природу. Дело в том, что альфа-частицы обладают положительным зарядом (+2), а объект в центре атома также несет положительный заряд, поэтому альфа-частица просто-напросто отталкивается от объекта.

В 1911 году Резерфорд представил миру свою модель атома. Атом состоит из электронов и атомного ядра, которое обладает огромной массой, однако размеры его гораздо меньше, чем предполагал Томсон.

Концепция ядерного атома Резерфорда ныне принята во всем мире.

Атом 

Судя по тому, как альфа-частицы отклоняются от своих траекторий, размеры ядра атома должны быть действительно крайне малы — от 10–18 до 10–12 см в диаметре, что составляет 1/100000, или 1/10000 от диаметра самого атома. Объем атомного ядра составляет одну триллионную (1/1000000000000) часть объема атома.

По сути, практически вся масса атома сконцентрирована в его ядре. Даже ядро самого легкого атома — атома водорода — в 1836 раз тяжелее электрона, в то время как масса ядра атомов более тяжелых элементов может превосходить массу электрона почти в 500 000 раз. Естественно, тяжелое ядро намного менее подвижно, чем практически невесомый электрон, и именно поэтому под действием света и высокой температуры освобождаются только лишь электроны.

У Резерфорда, как и у Ленарда, атом также «пустой». Пространство за пределами ядра занимают электроны. Масса электронов крайне мала, и они не являются препятствием для катодных и альфа-лучей.

Происхождение ионов с точки зрения модели атома Резерфорда объясняется присоединением и потерей электронов, как и у Томсона.

Модель атома Резерфорда полностью удовлетворяла ученых, оставалось лишь доработать некоторые детали.