Исследование атома - Строение атома | Печать |
Ученикам - Учебник по физике
19.01.2013 10:26

Нам уже известно многое об атомах — об их массах и об образуемых ими химических соединениях. Мы также знаем, что они содержат электроны, которые во много раз легче любого атома. Мы знаем, что можно отрывать электроны и что при этом образуются ионы, составляющие большую часть всей массы атома, а иногда удается присоединить электрон к нейтральному атому и таким образом получить отрицательный ион. Но на что же похож атом? Как он построен? Об этих вопросах пока было сказано очень мало.
stroenie-atoma

Данный учебный материал свегда вызывал трудности студента, поэтому при объяснении попытаемся использовать наиболее наглядные примеры. Многие из первоначальных сведений о строении атомов были получены зондированием тонких слоев вещества движущимися заряженными частицами. Можно легко понять, как используются заряженные частицы высокой энергии для зондирования внутреннего строения атомов, если представить себе следующую аналогию. Предположим, что мы имеем некоторые основания подозревать, что в кипе сена спрятаны некоторые ценные контрабандные товары, быть может большой слиток платины, возможно несколько кусков платины, которые распределены внутри кипы. Если в сене есть платина, то можно говорить, что кипа обладает внутренним строением: столько-то платины в такой-то точке, ничего в некоторой другой области и, может быть, некоторое количество в третьем месте. Если бы в кипе сена находилась именно платина, то ясно, что стоило бы распотрошить кипу и прочесать отдельные клочки. Но атом не так легко разорвать на части с целью увидеть, что находится внутри, а мы хотели бы знать, где расположены частицы, образующие атом. Таким образом, чтобы наша модель действительно напоминала опыты с атомами, мы должны пытаться найти платину в сене без разминания кипы. Для этого возьмем винтовку и будем обстреливать сено пулями (рис.). Если пуля проходит прямо насквозь, мы можем заключить, что на ее пути не было ничего массивного. А так как большинство пуль проходит именно так, можно заключить, что большая часть кипы действительно представляет собой чистое сено. С нашей точки зрения, поскольку мы ищем платину, значительная часть кипы пустая. Но если мы правы и контрабандная платина действительно находится где-то внутри, то случайно одна из пуль может удариться о платину. Тогда она отскочит и вылетит под каким-то углом к своей начальной траектории. По направлению полета пули при вхождении в кипу и по ее траектории после того, как она рикошетирует, можно, идя обратным путем, найти местоположение- куска платины.

При желании можно добиться значительно большего. Если пустить много пуль в место вблизи платины, то по углам, под которыми рикошетируют пули, можно кое-что сказать о форме куска платины. Если прямо перед нами находится большая плоская поверхность платины, то все пули отскочат под одним и тем же углом. Если платина отлита в виде шара, то пули одинаково часто будут отскакивать во всех направлениях вокруг первоначального направления движения. Обстреляв пулями всю кипу и проследив за всеми отскоками, мы сможем многое сказать о положениях кусков платины внутри кипы и об их форме.

При желании можно добиться значительно большего. Если пустить много пуль в место вблизи платины, то по углам, под которыми рикошетируют пули, можно кое-что сказать о форме куска платины. Если прямо перед нами находится большая плоская поверхность платины, то все пули отскочат под одним и тем же углом. Если платина отлита в виде шара, то пули одинаково часто будут отскакивать во всех направлениях вокруг первоначального направления движения. Обстреляв пулями всю кипу и проследив за всеми отскоками, мы сможем многое сказать о положениях кусков платины внутри кипы и об их форме.
Конечно, атом не является кипой сена с засунутыми в нее кусками платины. Когда мы стреляем в атом «пулями» в виде заряженных частиц, то мы не ожидаем получить информацию точно того же типа, как при поисках контрабанды. Тем не менее, зондируя атомы заряженными частицами и изучая направления, под которыми эти частицы выходят, мы можем надеяться узнать многое о внутреннем строении атомов.
В структуре атомов значительно больше регулярности, чем в расположении кусков платины в кипах сена. Законы образования химических соединений, характеристические спектры (одинаковые для всех атомов одного сорта) и, как мы увидим дальше, данные, полученные при бомбардировке атомов заряженными частицами,— все это указывает на то, что все атомы построены приблизительно по сотне образцов и в некоторых отношениях эти образцы весьма просты. По этой причине из сравнительно небольшого числа опытов с зондированием мы можем многое узнать о строении атомов.
Для того чтобы доставить сведения о внутреннем строении атома, зонд должен проникнуть внутрь атома. Следовательно, другие атомы и молекулы, которые отскакивают от поверхности атома, являются плохими зондами. Заряженные частицы малых энергий тоже не очень пригодны, так как они не проникают глубоко. С другой стороны, зонд, проходящий через что-либо насквозь, не отклоняясь, также ничего не скажет нам о том, где он побывал, поэтому трудно пользоваться глубоко проникающими рентгеновскими лучами или еще более глубоко проникающими у-лучами от радиоактивного распада. В начале этого столетия наиболее подходящими зондами для проникновения в атомы были а-частицы. Они вылетают из радиоактивных веществ и обладают достаточно высокой энергией для проникновения в атом; и хотя они нередко проходят сквозь атом с малым изменением направления, иногда они все же сильно отклоняются. В этих случаях мы предполагаем, что они столкнулись внутри атома с чем-то относительно массивным и отскочили.