Строение атома

Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе, наталкивает на мысль о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее, что все они находятся в близком родстве друг с другом. Однако до конца 19 в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части.

Но все эти предположения в то время еще не могли быть подтверждены какими либо экспериментальными данными. Лишь в конце 19в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при известных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома. Первые указания на сложную структуру атомов были получены приизучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катодатрубки перпендикулярно к его поверхности

распространяются «невидимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленоесвечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучиобладают способностью приводить в движение на их пути легко подвижные тела и откланяются отсвоего первоначальногопути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодный частицы и величину их заряда. Оказалось, что масса каждой частицы равняется 0, 00055 углеродной единицы, что составляет всего 1. 1840 часть массы водорода, самого легкого из всех атомов. Заряд катодной частицы равняется 1, 602 10 кулона, или 4, 803 10 электростатических единиц.

Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов, немогутбытьпревращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. По современным воззрениям, заряд электрона есть наименьший электрический заряд, наименьшее кол-во электричества, какое только может существовать. В катодных трубках электроны отделяются откатода подвлиянием электрического заряда. однако они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например, все металлыиспускают электроны при накаливании; в пламени горелки также присутствуют электроны; многие вещества выбрасывают электроны при освещении ультрафиолетовыми, рентгеновскими или лучами света (фотоэффект).

Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицывходят в состав всехатомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких структурных единиц. Изучение строение атома практическиначалось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодныхлучейкак потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона.

Факт выделенияэлектронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален; следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов, Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения -частиц в газах и других веществах. -частицы выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны.

Молекулы, потерявшиеэлектроны, становятся заряженные положительно, выбитыеже электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. В последствии аппарат для фотографирования -частиц был назван камерой Вильсона. Рассматривая пути движения -частиц вкамере Вильсона, мы видим, что они прямолинейны. В то же время, как показывает теория, каждая частица на протяжении своего пути. а он достигает в воздухе 11см, должна встретить сотни тысяч атомов.

Если тем не менее путь ее остается прямолинейным, то это можно объяснить только тем, что -частица пролетает сквозь атомы. Более тщательное исследование этогоявления показало, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слой газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельны, а несколько расходятся: происходит рассеяние -частиц, т. е. отклонениеот их первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (1/8000), которые отклоняются очень сильно, некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое непроницаемое. (добавить о том, что это не электроны их масса в 7500 раз меньше массы -частиц, отклонение из-за положительных частиц того же порядка, что и -частицы) Исходя из этих соображений, Резерфордпредложил следующую схему строения атома. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вседствии этого остаются на определенных расстояниях от ядра. Так как масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса сосредоточена в его ядре.

Размеры атома и его отдельных частей выражаетсяследующими числами:

диаметр атома - 10 см.,

диаметр электрона - 10 см и

диаметр ядра от 10 до 10 см.

Отсюда ясно, что на долю ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходиться лишь, ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. Предложенная Резерфордом схема строения атома или, какобыкновенной говорят, модель атома, легко объясняет явления отклонение -частиц. Действительно, размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство -частиц пролетает через атомы без заметного отклонения.

Только в тех случаях, когда -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние -частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявшихперед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновскихлучей.