СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

 АТОМ

Все тела, включая нас самих, состоят из мельчайших «кирпичиков», называемых атомами. Существует столько типов таких «кирпичиков», сколько имеется в природе химических элементов. Химический элемент — это совокупность атомов одного и того же типа.

Изменение с высотой концентраций некоторых газов атмосферы.

Мысль о том, что вещество построено из мельчайших «частичек», высказывалась еще древнегреческими учеными. Они-то и назвали эти частички атомами (от греческого слова, означающего «неделимый»). Древние греки предполагали, что атомы имеют форму правильных многогранников: куба («атомы земли»), тетраэдра («атомы огня»), октаэдра («атомы воздуха»), икосаэдра («атомы воды»). Прошло более двадцати столетий, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине XIX в. благодаря успехам химии и кинетической теории. К началу XX в. физики уже знали, что атомы размеры порядка 10-|Ом и массу Ю-*1 кг. К этому времени стало ясно, что атомы вовсе не «неделимы», что они обладают определенной внутренней структурой, разгадка которой позволит объяснить периодичность свойств химических элементов, выявленную Д. И. Менделеевым .

В 1903 г., вскоре после открытия электрона, английский физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около Ю-10 м, внутрь которой «вкраплены» электроны.

Суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом сферы. В 1908—1911 гг. под его руководством были выполнены опыты по рассеянию а-частиц (ядер гелия) металлической фольгой (см. Альфа-распад), а-частица проходила сквозь тонкую фольгу (толщиной 1 мкм) и, попадая на экран из сернистого цинка, порождала вспышку, хорошо наблюдаемую в микроскоп. Экран ориентировали под разными углами к первоначальному направлению движения а-частиц и подсчитывали число частиц, рассеянных фольгой на тот или иной угол.

Оказалось, что большинство частиц свободно проходит сквозь фольгу, испытывая лишь незначительные отклонения; однако в отдельных редких случаях (примерно в одном на 10 ООО) наблюдалось рассеяние а-частиц на угол больше 90°. «Это было почти так же невероятно,— вспоминал впоследствии Резерфорд,— как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас». Опыты по рассеянию а-частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме — атомном ядре, диаметр которого примерно в 10 ООО раз меньше диаметра атома. Большинство а-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение а-частицы с ядром, и тогда она может «отскочить» назад.

Опыты Резерфорда послужили основой для создания ядерной модели атома. Эта модель определяет наши сегодняшние представления об устройстве атома. В центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка Ю-14 м); весь остальной объем атома «представлен» электронами. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х гг.); ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его порядковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром; некоторые из них атом может относительно легко потерять, превращаясь при этом в положительный ион.

Приобретая дополнительные электроны, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается. Существенно, что атом может поглощать и испускать лишь определенные, характерные для данного химического элемента порции (кванты) энергии; недаром спектры поглощения и испускания атомов газообразных веществ состоят из упорядоченных наборов отдельных линий. В связи с этим говорят об определенных энергетических уровнях атома. При поглощении излучения атом переходит (совершает квантовый переход) с нижних уровней на более высокие, а при испускании излучения — с верхних на более нижние. Энергия поглощенного (испущенного) кванта излучения всякий раз равна разности энергий уровней, между которыми произошел рассматриваемый квантовый переход.

Первую количественную теорию атома разработал в 1913 г. датский физик Нильс Бор.

Это была теория простейшего атома — атома водорода. Бор использовал результаты опытов Резерфорда и известные в то время сведения о спектре атомарного водорода. Он представлял себе атом водорода в следующем виде: вокруг прогона (ядра атома) по круговой орбите движется электрон. Для невозбужденного атома радиус орбиты составляет 0,5-Ю-10 м. При возбуждении атома электрон перескакивает на одну из более удаленных от ядра орбит. Радиусы возможных орбит описываются формулой Rn = h2n2 / me2, где h ~ Ю-34 Дж/с — постоянная Планка, т = 9-10_3|кг— масса электрона, е= 1,6-10~|9Кл— заряд электрона, п = 1,2, 3...— главное квантовое число, фиксирующее порядковый номер орбиты электрона. Каждой орбите отвечает определенная энергия электрона: Е„ = = — те4/ 2Н2п2 (ее отрицательность означает, что электрон находится в связанном состоянии; за нуль принимается энергия свободного электрона).