kse_lect_2010_zao_2

От микромира к макромиру

Исследование микроструктуры материи

Первые представления о дискретности структуры вещества были сформированы еще греческими философами Левкиппом, Демокритом и Эпикуром, которые придерживались мнения, что материя по своей природе имеет «зернистую» структуру и все в мире состоит из большого числа разных «атомов» - мельчайших неделимых частиц.

И только в 1803 г. английский химик и физик Дж. Дальтон показал, что при образовании химических соединений исходные реагенты всегда расходуются в одинаковых, строго определенных пропорциях. Этот факт можно объяснить, предположив, что частицы простых веществ (атомы элементов), соединяясь, образуют более сложные структуры (молекулы).

Тем не менее, в реальности существования атомов и молекул сомневались вплоть до конца XIX в. Существование молекул экспериментально доказал французский физик Жан Перрен при наблюдении броуновского движения – хаотического блуждания мелких нерастворимых частиц в жидкостях. Физическую модель броуновского движения в 1905 г. предложил А. Эйнштейн.

Модель атома Томсона

В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон (Тринити-колледжа, Кембридж) открыл первую субатомную частицу – электрон в катодных лучах. Экспериментальная установка Томсона немного напоминала современный телевизионный кинескоп – электронно-лучевую трубку. Когда электроны падали на экран, на нем возникали вспышки света. Позднее, после усовершенствования методики измерений, была установлена масса этих частиц — менее одной тысячной массы атома водорода. Томсон предположил, что столь мелкие частицы вырываются из атомов, т.е. атомы тоже не неделимы и обладают структурой.

Открытие

радиоактивности

В1896 году, экспериментируя с солями урана, А. Беккерель обнаруживает естественную радиоактивность - регистрирует засветку фото-пластинок неизвестным до этого момента видом лучей, обладающих высокой проникающей способностью.

Вдальнейших исследованиях с участием Э. Резерфорда и супругов Марии и Пьера Кюри было изучено действие на это излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение представляет собой смесь «лучей». П. Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. На тот момент уже было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. Опыты показали, что между катодными и бета-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов. Чуть позднее было показано, что излучение также содержит и положительные альфа-частицы, оказавшиеся ядрами гелия, и нейтральные гамма-лучи.

Опыты Резерфорда

В 1911 г. ученик Томсона Э. Резерфорд доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Резерфорд пришел к этому выводу, изучая, как отклоняются альфа-частицы при столкновениях с атомами.

Модель атома Резерфорда из-за внешнего сходства с Солнечной системой получила название планетарной.

Детали строения атома и физические закономерности, их определяющие, стали уточняться по мере накопления опытных данных и развития квантовой механики.

Законы радиоактивного распада

- количество атомов распадающегося элемента убывает с течением времени экспоненциально. Величина λ определяет характерное время распада.

В 1913 году были сформулированы (Содди) правила превращения элементов:

1)испускание альфа-частиц уменьшает атомную массу элемента на 4 и смещает его на два места влево по периодической таблице

2)испускание бета-частицы смещает элемент вправо на одно место, почти не меняя атомной массы.

Так было показано, что химические свойства элементов связаны не с

атомной массой, а с внутриатомным электрическим зарядом.

В 1913 году Содди пришел к выводу и показал, что в одной клетке Периодической таблицы могут быть элементы с разной атомной массой, но обладающие одним зарядом ядра и одинаковыми свойствами – их назвали изотопами. Появились все основания предполагать (хотя пока бездоказательно), что

ядра атомов также имеют внутреннюю структуру.

Первая субъядерная частица была обнаружена в опытах Резерфордом и Марсденом в 1919 г. в виде положительных ионов водорода, названных протонами. Протон (как и водород, чьим ядром он является) оказался чрезвычайно стабильной частицей.

Следующим шагом к пониманию структуры атомного ядра стало обнаружение в 1932 г. Джеймсом Чедвиком (за это он был удостоен Нобелевской премии), коллегой Резерфорда, еще одного сорта частиц - нейтронов. Их масса почти равна массе протона, но электрический заряд равен нулю. Кроме того, нейтроны в свободном состоянии нестабильны и распадаются в среднем за 11,7 мин.