4. Гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі

властивостей частинок

Французький вчений Луї де Бройль (1892-1987) в 1924 р . в докторській дисертації «Дослідження з теорії квантів» висунув сміливу гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму, стверджуючи, що оскільки світло веде себе в одних випадках як хвиля, а в інших - як частка, то й матеріальні частинки (електрони та ін) в з спільності законів природи повинні володіти хвильовими властивостями. «В оптиці, - писав він, - протягом століття занадто нехтували корпускулярним способом розгляду в порівнянні з хвильовим; не робилася чи в теорії речовини зворотна помилка? Чи не думали ми занадто багато про картину «часток» і не нехтували чи надмірної картиною хвиль? »У той час гіпотеза де Бройля виглядала божевільною. Лише в 1927 р ., Три роки потому, наука пережила величезне потрясіння: фізики К. Девіссон і Л. Джермер експериментально підтвердили гіпотезу де Бройля, отримавши дифракційну картину електронів.

Відповідно до квантової теорії світла А. Ейнштейна, хвильові характеристики фотонів світла (частота коливань v і довжина хвиля л = c / v) пов'язані з корпускулярними характеристиками (енергією ε ф, релятивістської масою m ф і імпульсом р ф) співвідношеннями:

За ідеєю де Бройля, будь-яка мікрочастинка, в тому числі і з масою спокою ш 0 Ц 0, повинна володіти не тільки корпускулярними, але і хвильовими властивостями. Відповідні частота v і довжина хвилі л визначаються при цьому співвідношеннями, подібними ейнштейнівської:

Звідси довжина хвилі де Бройля -

Таким чином, співвідношення Ейнштейна, отримані ним при побудові теорії фотонів у результаті гіпотези, висунутій де Бройля, придбали універсальний характер і стали однаково застосовними як для аналізу корпускулярних властивостей світла, так і при дослідженні хвильових властивостей всіх мікрочастинок.

5. Досліди Резерфорда. Модель атома Резерфорда а. Досліди Резерфорда

У 1911 р . Резерфорд провів виняткові за своїм значенням експерименти, які довели існування ядра атома. Для дослідження атома Резерфорд застосував його зондування (бомбардування) за допомогою α-частинок, які виникають при розпаді радію, полонію і деяких інших елементів. Резерфордом і його співробітниками ще в більш ранніх дослідах в 1909 р . було встановлено, що α-частинки мають позитивним зарядом, рівним по модулю подвоєному заряду електрона q = +2 e, і масою, що збігається c масою атома гелію, тобто m а = 6,62 · 10 - 27 кг , Що приблизно в 7300 разів більше маси електрона. Пізніше було встановлено, що α-частинки являють собою ядра атомів гелію. Цими частками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів. Електрони внаслідок своєї малої маси не можуть змінити траєкторію α-частαіци. Їх розсіяння (зміна напрямку руху) може викликати тільки позитивно заряджена частина атома. Таким чином, з розсіювання α-частинок можна визначити характер розподілу позитивного заряду, а значить, і маси всередині атома.

Було відомо, що α-частинки, випроменені полонієм, летять зі швидкістю 1,6-107 м / с. Полоній містився всередину свинцевого футляра, вздовж якого висвердлені вузький канал. Пучок α-частинок, пройшовши канал і діафрагму, падав на фольгу. Золоту фольгу можна зробити виключно тонкої - завтовшки 4-10 - 7 м (В 400 атомів золота; це число можна оцінити, знаючи масу, щільність і молярну масу золота). Після фольги α-частинки попадали на напівпрозорий екран, покритий сульфідом цинку. Зіткнення кожної частки з екраном супроводжувалося спалахом світла (сцинтилляция), зумовленої флуресценціей, яка спостерігалася в мікроскоп.

При гарному вакуумі всередині приладу (щоб не було розсіювання частинок від молекул повітря) під час відсутності фольги на екрані виникав світлий гурток з сцинтилляций, що викликаються тонким пучком α-частинок. Коли на шляху пучка містилася фольга, то переважна більшість α-частинок все одно не відхилялося від свого первісного напрямку, тобто проходило крізь фольгу, як якщо б вона являла собою порожній простір. Однак були α-частинки, які змінювали свій шлях і навіть відскакували тому.

Марсден і Гейгер, учні та співробітники Резерфорда, нарахували більше мільйона сцинтилляций і визначили, що приблизно одна з 2 тисяч α-частинок відхилялася на кути, великі 90 °, а одна з 8 тисяч - на 180 °. Пояснити цей результат на основі інших моделей атома, зокрема Томсона, було не можна.

Розрахунки показують, що при розподілі по всьому атому позитивний заряд (навіть без урахування електронів) не може створити досить інтенсивний електричне поле, здатне відкинути α-частини-цу тому. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженого кулі максимальна на поверхні кулі і убуває до нуля в міру наближення до центру. Розсіювання α-частинок на великі кути відбувається так, як якщо б весь позитивний заряд атома був зосереджений в його ядрі - області, що займає дуже малий обсяг у порівнянні з усім обсягом атома.

Вірогідність потрапляння α-частинок в ядро ​​і їх відхилення на великі кути дуже мала, тому для більшості α-частинок фольги як би не існувало.

Резерфорд теоретично розглянув задачу про розсіяння α-частинок в кулоновском електричному полі ядра і отримав формулу, що дозволяє по щільності потоку α-частинок, що налітають на ядро, і обмірюваному числу частинок, розсіяних під деяким кутом, визначити число N елементарних позитивних зарядів + е, що містяться в ядрі атомів даної розсіює фольги. Досліди показали, що число N дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва, тобто N = Z (для золота Z = 79).

Таким чином, гіпотеза Резерфорда про зосередження позитивного заряду в ядрі атома дозволила встановити фізичний зміст порядкового номера елемента в періодичній системі елементів. У нейтральному атомі повинне міститися також Z електронів. Істотно, що число електронів в атомі, певне різними методами, збіглося з числом елементарних позитивних зарядів у ядрі. Це послужило перевіркою справедливості ядерної моделі атома.

Б. Ядерна модель атома Резерфорда

Узагальнюючи результати дослідів з розсіювання α-частинок золотою фольгою, Резерфорд встановив:

♦ атоми за своєю природою в значній мірі прозорі для α-частинок;

♦ відхилення α-частинок на великі кути можливі тільки в тому випадку, якщо всередині атома є дуже сильне електричне поле, що створюється позитивним зарядом, пов'язаних з великою і сконцентрованої в дуже малому обсязі масою.

Для пояснення цих дослідів Резерфорд запропонував ядерну модель атома: в ядрі атома (області з лінійними розмірами 10 -15 -10 - 14 м ) Зосереджені весь його позитивний заряд і практично вся маса атома (99,9%). Навколо ядра в області з лінійними розмірами ~ 10 - 10 м (Розміри атома оцінені в молекулярно-кінетичної теорії) рухаються по замкнутих орбітах негативно заряджені електрони, маса яких становить лише 0,1% маси ядра. Отже, електрони перебувають від ядра на відстані від 10 000 до 100 000 поперечників ядра, тобто основну частину атома складає порожній простір.

Ядерна модель атома Резерфорда нагадує сонячну систему: у центрі системи знаходиться «сонце» - ядро, а навколо нього по орбітах рухаються «планети» - електрони, тому цю модель називають планетарною. Електрони не падають на ядро тому, що електричні сили притягання між ядром і електронами врівноважуються відцентровими силами, зумовленими обертанням електронів навколо ядра.

У 1914 р ., Через три роки після створення планетарної моделі атома, Резерфорд досліджував позитивні заряди в ядрі. Бомбардуючи електронами атоми водню, він виявив, що нейтральні атоми перетворились в позитивно заряджені частинки. Так як атом водню має один електрон, Резерфорд вирішив, що ядро ​​атома є часткою, що несе елементарний позитивний заряд + е. Цю частку він назвав протоном.

Планетарна модель добре узгоджується з дослідами по розсіюванню α-частинок, але вона не може пояснити стійкість атома. Розглянемо, наприклад, модель атома водню, що містить ядро-протон і один електрон, який рухається зі швидкістю v навколо ядра по круговій орбіті радіуса r. Електрон повинен по спіралі падати на ядро, і частота його обертання навколо ядра (отже, і частота випромінюваних їм електромагнітних хвиль) повинна безперервно змінюватися, тобто атом нестійкий, і його електромагнітне випромінювання повинно мати безперервний спектр.

Насправді виявляється, що:

а) атом стійкий;

б) атом випромінює енергію лише за певних умов;

в) випромінювання атома має лінійчатий спектр, який визначається його будовою.

Таким чином, застосування класичної електродинаміки до планетарної моделі атома призвело до повного протиріччя з експериментальними фактами. Подолання труднощів, що виникли зажадало створення якісно нової - квантової - теорії атома. Однак, незважаючи на свою неспроможність, планетарна модель і зараз прийнята в якості наближеною і спрощеної картини атома.