Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Природа радиоактивности стала главным предметом изучения английского физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда (1871–1937) (рис. 102), работавшего в той же лаборатории Кембриджского университета, что и Томсон. В 1899 г. ему удалось установить, что радиоактивное излучение состоит по крайней мере из двух составляющих, которые он назвал альфа- и

бета-излучением. Оба эти вида излучения состояли из электрических зарядов, так как отклонялись под действием магнитного поля. Вскоре была обнаружена и третья составляющая радиоактивности, не имеющая электрического заряда, которую по аналогии назвали гамма-излучением. В дальнейшем удалось выяснить, что альфа-лучи являются потоком атомных ядер химического элемента, называемого гелием, бета-лучи – потоком электронов, т. е. катодными лучами, а гамма-лучи, как вы уже знаете, представляют собой электромагнитное излучение очень высокой частоты. Разделить суммарное радиоактивное излучение на эти три составляющие в эксперименте несложно. Для этого нужно пропустить пучок излучения через магнитное поле. Препарат радия помещают на дно узкого канала в куске свинца. Напротив канала находится фотопластинка. На выходящее из канала излучение действует сильное магнитное поле, под действием которого пучок распадается на три пучка (рис. 103). Два из них отклоняются в противоположные стороны, что указывает на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения (бета– лучи) отклоняется магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный (альфа-лучи). Третья, нейтральная составляющая (гамма– лучи) не отклоняется магнитным полем.

Резерфорд провёл эксперимент, в котором из радиоактивного излучения выделяли пучок положительно заряженных (лишённых электронов) атомов гелия, называемых альфа-частицами.

Рис. 103. Расщепление радиоактивного излучения в магнитном поле

Эти частицы ударялись о тонкую металлическую фольгу и после взаимодействия с её атомами рассеивались, т. е. разлетались в соответствии с законами столкновения. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый веществом, способным светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Резерфорд обнаружил, что большинство альфа-частиц пролетает через слой металла, практически не подвергаясь какому-либо отклонению. Некоторые частицы отклонялись на небольшие углы, и только одна из десяти тысяч отскакивала назад под углом, близким к 180°.

Этот результат находился в резком противоречии с моделью атома Томсона. Если бы атом представлял собой плотную массу, вероятность того, что частица отскочит от него назад под большим углом, была бы значительно больше. Размышляя над причиной неожиданного результата эксперимента, Резерфорд пришёл к выводу, что атом на самом деле почти пустой, а весь его положительный заряд сосредоточен в объёме, очень малом по сравнению с величиной всего атома. Эту небольшую часть атома Резерфорд назвал атомным ядром.

Предложенную Резерфордом модель строения атома называют планетарной. Согласно ей в центре каждого атома находится небольшое положительно заряженное ядро, а вокруг него на огромных по сравнению с размерами ядра расстояниях находятся отрицательно заряженные электроны. Эти электроны вращаются по определённым траекториям вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся по орбитам вокруг Солнца. Результаты экспериментов Резерфорда можно объяснить тем, что подавляющее большинство альфа-частиц, бомбардирующих атом, практически свободно проникают через его электронную оболочку, не испытывая существенного отклонения из-за того, что их масса значительно больше массы электрона. Частицы, пролетающие в непосредственной близости от ядра, отклоняются в сторону из– за отталкивания их заряда от положительно заряженного ядра. В исключительных случаях частицы сталкиваются непосредственно с ядром и отскакивают назад, но из-за малых размеров ядра такое случается крайне редко. Подобное объяснение строения атома было предложено ещё в 1903 г. японским физиком Хантаро Нагаоко, но она не получила признания из-за отсутствия в то время подтверждающих её экспериментальных данных.

Проведённые Резерфордом вычисления показали, что атомное ядро имеет радиус менее 10^-12 см, так что размер всего атома, составляющий около 10^-8 см, определяется величиной его электронной оболочки. Таким образом, размер электронной оболочки атома в десятки тысяч раз превышает размер его ядра. В то же время 99,98 % массы атома сосредоточено именно в ядре.