Открытие атомного ядра

Рассмотрим несколько подробнее одно из фундаментальных открытий Резерфорда —открытие атомного ядра и планетарной модели атома. Мы видели, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 г. начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели. Вильям Брэгг (1862—1942) в Австралии, изучая прохождение а-частиц через вещество, нашел, что частицы не рассеиваются веществом, а поглощаются им, проходя в веществе до поглощения определенный прямолинейный отрезок — длину пробега. Метод, применявшийся этими исследователями, заключался в следующем: а-частицы, испускаемые источником, диафрагмировались щелью и попадали на экран из сернистого цинка, на котором получалось изображение щели в виде узкой полоски. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую пластинку, изображение щели размывалось, что указывало на рассеяние а-частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы. Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 г., — существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть а-частиц (примерно 1/8000) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь, таким образом, обратно к источнику. Тонкая пластина отбрасывала частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 г. Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что а-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги.

Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающего вещества.

Исходя из модели Томсона, Резерфорд подсчитал, что это не может давать больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели. Когда а-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду а-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ф.

Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она пропорциональна числу атомов n в единице рассеивающего материала, толщине рассеивающей пластинки и величине b2, выражаемой следующей формулой:

Этот «закон косеканса» был проверен экспериментально Гейгером и был найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ± Ne.

Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено, — писал Резерфорд, — но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда» .

В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам «Это была трудная, кропотливая работа, — характеризовал Резерфорд работу своих сотрудников, — так как нужно было считать много тысяч частиц.

Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией". Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд еще в 1913 г. считал знак заряда неопределенным) зарядом.

При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу. В 1913 г Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева.

В том же 1913 г. ф. Содди и К. фаянс пришли к закону смещения Содди — фаянса, согласно которому при а-распаде радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше, а при (3-распаде — на номер ниже. С точки зрения представления о номере элемента как о заряде ядра этот закон получает простое истолкование.

К этому же времени Содди пришел к представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемента, ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы. В декабре 1915 и январе 1916 г. Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) развил теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщив правила квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со скоростью. В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой структуры:

В 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике. В прочитанном им 11 декабря 1922 г. в Стокгольме нобелевском докладе он развернул картину состояния атомной теории к этому времени. Одним из наиболее существенных успехов теории было нахождение ключа к периодической системе элементов, которая объяснялась наличием электронных оболочек, окружающих ядра атомов.

Огромная физическая интуиция позволила Бору, еще не зная принципа Паули и спина электрона, наметить правильную картину построения периодической системы, исправить ошибку химиков в классификации редких земель и предсказать существование нового элемента, который и был открыт Костером и Хевеши, давшими ему название гафний.