З. Строение атома

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СЛОЖНОГО СТРОЕНИЯ АТОМА

Одновременно с открытием Менделеевым периодического закона и обнаружением новых элементов развивались физические методы исследования свойств вещества. Начиная с середины XIX в., росло число наблюдений, экспериментов, которые свидетельствовали о сложном строении атомов.

Одним из достижений второй половины XIX в. была разработка спектрального анализа — точного и чувствительного метода, сыгравшего важнейшую роль в открытии новых элементов, послужившего также и экспериментальной основой изучения строения атомов. Метод основан на испускании света раскаленным веществом; при этом твердые и жидкие тела дают сплошной спектр, а газы — линейчатый, или, как чаще говорят, дискретный, в котором представлены только отдельные определенные длины волн (рис. 3.1). Спектры большинства элементов в газообразном состоянии были тщательно изучены.

Анализ спектров различных элементов привел к обнаружению определенных закономерностей в положении отдельных линий. Для водорода, например, было найдено уравнение, позволяющее с высокой точностью рассчитать длины волн в спектре излучения:

где X — длина волны спектральной линии; R — постоянная Ридберга, названная по имени автора уравнения; Лу и n_t — целые числа (л^ > nj).

Рис. 3.1. Схема прибора для наблюдения спектра испускания атомарного водорода.

Под действием источника высокого напряжения 1 происходит разряд в трубке 2, наполненной водородом. За счет энергии разряда молекулы Н, диссоциируют на атомы, находящиеся в возбужденных состояниях и испускающие свет. Коллиматор 3 формирует узкий плоский пучок света 4, падающий на призму 5, которая разлагает его на линии, обозначаемые а, 0, у и б, с длинами волн 656,3; 486,1; 436,0 и 410,2 нм соответственно, регистрируемые фотопластинкой б

Рис. 3.2. Катодная трубка (трубка Крукса).

От катода 1 поток электронов устремляется к аноду 2 и проходит далее через отверстие в нем и щель 3. Электростатическое поле, создаваемое пластинами 4, или поле магнита 5 могут отклонять поток электронов вверх или вниз от исходного направления, что наблюдается на флуоресцирующем экране б

Аналогичные уравнения позволяли рассчитать положение линий и в спектрах других элементов, но оставалось неясным, что же лежит в основе этих простых соотношений.

В целом линейчатый характер атомных спектров свидетельствует о том, что атомы могут переходить из основного состояния с минимальной энергией в определенные возбужденные состояния с более высокими дискретными значениями энергии и возвращаться из состояний с более высокой энергией в состояния с более низкой энергией, в том числев основное, выделяя избыток энергии в виде света с определенными длинами волн. Очевидно, что теория строения атома должна была объяснить качественную и количественную сторону этих явлений. История исследования строения атома излагается в курсе общей физики, она детально описана во многих монографиях, поэтому мы кратко остановимся лишь на тех ее моментах, которые легли в основу первых моделей строения атома.

Еще в 1832 г. М. Фарадей (Англия) установил законы электролиза (см. разд. 18.6), из которых следовало, что электричество, как и вещество, можно разложить на постоянные минимальные составные части — «ато‘- мы электричества», однако тот факт, что эти кирпичики электричества входят в состав атомов любого вещества, был обнаружен в последней четверти XIX в. после того, как другой английский физик В. Крукс открыл катодные дучи — поток электронов, проходящий под действием приложенной разности потенциалов через вакуум от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) (рис. 3.2). В 1897 г. Дж. Дж. Томсону удалось с помощью усовершенствованной трубки Крукса измерить соотношение между массой и зарядом электрона. Величину заряда электрона измерил в 1911 г. американский физик Р. С. Малликен. В результате этих измерений было установлено, что электрон имеет массу 9,1 • 10~²⁹ г, или Vi837 массы атома водорода, и заряд 1,6 • 10″¹⁹ Кл, которому приписан знак Отметим, что в химии принято выражать заряды ионов в единицах заряда электрона с соответствующим знаком, например Na*, Н*, SOj" и т. д.

Рис. 3.3. Схема разделения излучения радиоактивного элемента

/ - радиоактивный препарат; 2 — свинцовый блок с отверстием; 3 — постоянный магнит На границе XIX и XX вв. обнаружено, что при освещении металлов ультрафиолетовым светом они испускают электроны. Это явление, названное фотоэффектом, можно считать первым прямым экспериментальным свидетельством того, что атомы элементов содержат электроны. В то же время было найдено, что в трубке Крукса с полым катодом кроме катодных лучей в противоположном им направлении через отверстие в катоде распространяются положительно заряженные лучи. Масса частиц, из которых эти лучи состоят, зависит от природы газов, которые остаются в трубке в ничтожных количествах. Масса самой легкой частицы равна массе атома водорода, а заряд равен +1 (если за 1 принять заряд электрона). Позднее в 1920 г. эта частица была названа протоном.

Дальнейшая информация о составе атомов связана с открытием радиоактивности. Экспериментально было установлено, что излучение радия и некоторых других радиоактивных элементов по поведению в электрическом или магнитном поле может быть разделено на три составляющие: альфа, бета и гамма (рис. 3.3). Альфа-лучи, как показал Э. Резерфорд, представляют собой движущиеся с большой скоростью положительно заряженные части атомов гелия с массой 4 и зарядом +2. Бета-лучи — это поток электронов, а гамма-лучи идентичны рентгеновским лучам.

Таким образом, изучение явления радиоактивности показало, что в состав атомов входят электроны и некоторая положительно заряженная часть.