ДОКАЗИ СКЛАДНОЇ СТРУКТУРИ АТОМІВ
Відкриття електрона. Перші експериментальні результати, з яких можна було зробити висновок про складну структуру атомів, про наявність всередині атомів електричних зарядів, були отримані М. Фарадеєм в 1883 р при вивченні законів електролізу.
У 1897 р Дж. Дж. Томсон у результаті експериментів з вивчення електричного розряду в розріджених газах, фотоефекту і термоелектронної емісії встановив, що при зіткненнях атомів в плазмі електричного розряду, при нагріванні речовини або висвітленні його ультрафіолетовим світлом з атомів будь-якого хімічного елемента вириваються однакові негативно заряджені частинки. Ці частинки були названі електронами. Електричний заряд е окремих електронів вперше було виміряно в дослідах Р. Міллікена в 1909 р Він виявився дійсно однаковим у всіх електронів.
Періодичний закон Менделєєва. Відкриття Д.І. Менделєєвим в 1869 р періодичного закону поставило перед фізикою питання про причини повторюваності хімічних властивостей елементів, розташованих в порядку зростання атомної маси. Природно було припустити, що збільшення маси атомів хімічних елементів пов'язане зі збільшенням числа частинок, що входять до їх складу. Періодичну повторюваність хімічних властивостей елементів в таблиці Д.І. Менделєєва можна розглядати як свідчення періодичної повторюваності основних особливостей внутрішньої структури атомів у міру збільшення числа частинок, що входять до їх складу.
Лінійчаті спектри. Важливим чинником, що свідчить про складну внутрішню структуру атомів, було відкриття лінійчатих спектрів. Дослідження показали, що при нагріванні до високої температури пари будь-якого хімічного елемента випромінюють світло, вузький пучок якого розкладається призмою на кілька вузьких пучків світла різного кольору. Сукупність спостережуваних при цьому різнокольорових ліній називається лінійчатим спектром випускання. Лінійчатий спектр випускання кожного хімічного елемента не збігається зі спектром випускання жодного іншого хімічного елемента.
Кожна окрема лінія в лінійчатому спектрі випромінювання утворюється світлом з одного довжиною хвилі. Отже, джерело світла з лінійчатим спектром випромінювання випромінює електромагнітні хвилі не зі всілякими частотами, а тільки з кількома цілком певними.
При пропущенні білого світла із суцільним спектром через пари речовини спостерігається виникнення темних ліній на тлі суцільного спектра випускання. Темні лінії розташовані точно в тих місцях, в яких спостерігаються світлі лінії спектра випромінювання даного хімічного елемента. Такий спектр називається лінійчатим спектром поглинання.
Лінійчаті спектри поглинання свідчать про те, що речовина в газоподібному стані здатне поглинати електромагнітне випромінювання тільки з такими частотами, які є в лінійчатому спектрі випромінювання даної речовини.
Світло з лінійчатим спектром випромінювання випускається речовиною в газоподібному атомарному стані при невисоких тисках, тобто за умови слабкої взаємодії атомів між собою. При таких умовах випускання квантів електромагнітного випромінювання є результатом процесів, що відбуваються всередині окремих атомів.
Після відкриття електрона стала очевидною зв'язок явищ випромінювання і поглинання світла з наявністю в них електронів. Дійсно, світло - це електромагнітні хвилі. Випромінювання електромагнітних хвиль відбувається при прискореному русі електричних зарядів. Можна припустити, що при зіткненнях атомів електрони, наявні всередині атомів, можуть набувати надлишок енергії і потім випромінювати електромагнітні хвилі, здійснюючи гармонічні коливання всередині атомів. Різним довжинах хвиль випромінюваного світла відповідають різні частоти коливань електронів усередині атомів. Отже, теорія будови атома повинна дати способи розрахунку довжин хвиль в спектрі будь-якого хімічного елемента.
Радіоактивність. Ще одним доказом складності будови атомів було відкриття явища радіоактивності. У 1896 р французький фізик Анрі Беккерель (1852-1908) провадив досліди з солями урану. Він встановив, що атоми урану випускають невидимі оком випромінювання, здатні проникати через папір або картон і викликати почорніння фотографічної пластинки.
Явище випускання атомами невидимих проникаючих випромінювань назвали радіоактивністю (від слова "радіус" - промінь).
Польського походження фізик Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) і французький фізик П'єр Кюрі (1859-1906) довели, що радіоактивні випромінювання випускаються не тільки атомами урану, а й атомами деяких інших елементів. За радіоактивного випромінювання ними були відкриті два невідомих раніше хімічні елементи - радій і полоній.
Дослідження радіоактивного випромінювання показали, що радіоактивні атоми випускають не один, а три види випромінювання різної фізичної природи. Ці випромінювання були названі альфа-, бета- і гамма-променями. Альфа-промені виявилися потоком іонів гелію, бета-промені - потоком електронів, а гамма-промені - потоком квантів електромагнітного випромінювання з дуже малою довжиною хвилі, близько 10 -11 -10 -13 м.
В результаті радіоактивного розпаду, як вперше довели в 1902 р англійські вчені Ернест Резерфорд (1871-1937) і Фредерік Содді (1877-1956), відбувається перетворення атомів одного хімічного елемента в атоми іншого хімічного елемента. Наприклад, атом урану в результаті радіоактивного розпаду перетворюється в два атома - атом торію і атом гелію. Відкриття явища радіоактивного розпаду доводило складність внутрішньої структури атомів, спростовувало уявлення про незмінність, незруйновними атомів.
Досліди з розсіювання альфа-частинок. Великих успіхів в дослідженні структури атомів були досягнуті в дослідах Резерфорда з вивчення розсіювання швидких заряджених частинок при проходженні через тонкі шари речовини. У цих дослідах вузький пучок альфа-часток, що випускаються радіоактивною речовиною 1, прямував на тонку металеву пластинку 2. За пластиною містився екран 3, покритий шаром кристалів сульфіду цинку, здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок (рис. 302). Було виявлено, що більшість альфа-частинок відхиляється від прямолінійного шляху на кути не більше 1-2 °. Однак невелика частка альфа-частинок відчувала відхилення на значно більші кути.
Модель атома Резерфорда. Розсіювання окремих альфа-частинок на великі кути Резерфорд пояснив тим, що позитивний заряд в атомі не розподілений рівномірно в кулі радіусом 10 -10 м, як припускали раніше, а зосереджений в центральній частині атома в області значно менших розмірів. У цій центральній позитивно зарядженої частини атома - атомному ядрі - зосереджена і майже вся маса атома. Розрахунки Резерфорда показали, що для пояснення дослідів з розсіювання альфа-частинок потрібно прийняти радіус атомного ядра рівним приблизно 10 -15 м.
Резерфорд припустив, що атом влаштований подібно планетарна. Як навколо Сонця на великих відстанях від нього обертаються планети, так електрони в атомі обертаються навколо атомного ядра. Радіус орбіти самого далекого від ядра електрона і є радіус атома. Така модель атома була названа планетарної моделлю.
Планетарна модель атома пояснює основні закономірності розсіювання заряджених частинок.
Оскільки велика частина простору в атомі між атомним ядром і що обертаються навколо нього електронами порожня, швидкі заряджені частинки можуть майже вільно проникати через досить значні верстви речовини, що містять кілька тисяч шарів атомів.
При зіткненнях з окремими електронами швидкі заряджені частинки зазнають розсіювання на дуже невеликі кути, так як маса електрона мала. Однак в тих рідкісних случає, коли швидка заряджена частинка пролітає на дуже близькій відстані від одного з атомних ядер, під дією сильного електричного поля атомного ядра може відбутися розсіювання зарядженої частинки на будь-який кут до 180 ° (рис. 303).