Радиоактивность. Модели атомов

В курсах физики 7 и 8 классов мы уже говорили о том, что все окружающие нас тела состоят из вещества. Вещество в свою очередь состоит из молекул, а молекулы  состоят из еще более мелких частиц — атомов (рисунок 1).

Зачастую, объясняя те или иные физические явления, мы даже использовали модель атома, которая называется планетарной (рисунок 2). Мы рассматривали атом как систему мельчайших частиц. В центре ее — положительное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны.

Но научное сообщество не сразу пришло к такому представлению мельчайших частиц. Когда-то атом считали неделимым.

На данном уроке мы погрузимся в историю физики. Мы увидим, что знания об атоме — это путь от догадок философов до строгих физических экспериментов. Мы узнаем, как открытие радиоактивности перевернуло прежние представления об атоме и заставило ученых снова задуматься о том, из чего состоит окружающая нас материя.

Первые представления об атомах

Начнем разбираться, как эволюционировали представления о строении вещества. Все началось 2500 лет назад с высказываний древнегреческих философов Левкиппа и Демокрита. Они уже тогда предполагали, что все тела состоят из мельчайших частиц.

Так, Демокрит рассуждал о том, что будет, если делить вещество на все более и более мелкие части. В конце концов должна остаться одна частица. Она сохранит свойства вещества, но поделить ее уже будет невозможно. Поэтому эти частицы назвали атомами (от греческого «a-tomos» — неделимый).

Но это были лишь философские предположения. В то время они просто не могли быть никак подтверждены, ведь еще не существовало ни микроскопов, ни других методов исследования микромира.

{"questions":[{"content":"Первые предположения, что все вокруг состоит из мельчайших частиц (атомов) появились около [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["2500 лет назад","100 лет назад","500 лет назад","200 лет назад"],"answer":0}}}]}

Разрушение представлений о неделимости атома

Так до середины XIX века ученые и считали, что атом не имеет никаких составных частей. Что он не может быть разрушен или как-то изменен. Атомы представляли как маленькие кирпичики, из которых строится все вокруг.

Что же происходит в середине XIX века? В это время в ходе экспериментов открываются новые факты, которые ставят под сомнение предположения о неделимости атома. Опыты показывали, что атомы имеют более сложное строение. Например, что в их составе есть неизвестные частицы с электрическим зарядом.

Открытие радиоактивности

В конце XIX века ученые получают ключевое доказательство более сложной структуры атома. Французский физик Анри Беккерель в 1896 году делает революционное для науки открытие — знакомит мир с явлением радиоактивности.

Опыты Беккереля

В то время Беккерель работал с уже известным явлением фосфоресценции. Оно заключается в свечении некоторых веществ, которое возникает после воздействия солнечных лучей.

Ученый решил поэкспериментировать с солями урана (рисунок 3). Он завернул фотопластинку в плотную черную бумагу и положил сверху на нее немного урановой соли. Далее он выставил это на солнечный свет. Через какое-то время он проявил фотопластинку и увидел на ней темные пятна в тех местах, где лежали крупинки соли. Это свидетельствовало о некотором излучении от соли урана. Но Беккерель был уверен, что оно возникло именно под влиянием солнечных лучей.

А в феврале 1896 года ученому не удалось провести очередной опыт. Стояла плохая погода, солнце было скрыто тучами. Поэтому ученый убрал все оборудование до следующего раза. Он положил в ящик стола пластинку, а сверху на нее — медный крест, который был покрыт солями урана. С помощью креста он хотел проверить, проникает ли излучение через металл.

Спустя пару дней Беккерель вспомнил о своей фотопластинке. Когда он ее достал, то был немало удивлен. На пластинке отчетливо виднелась тень в форме креста (рисунок 4). Это сподвигло его продолжать разнообразные опыты с ураном.

Итак, в ходе экспериментов Беккерель обнаруживает, что соединения урана испускают некие невидимые лучи. Происходит это самопроизвольно — без каких-либо внешних воздействий. Позже эти лучи были названы радиоактивным излучением.

{"questions":[{"content":"Соединения урана являются источником излучения [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["при любых условиях","при нагревании","во время химических реакций с другими соединениями","только в вакууме"],"answer":0}}}]}

Исследования Кюри

Это излучение заинтересовало многих ученых, и они занялись его изучением. Так, супруги Пьер и Мария Кюри стали исследовать руды, содержащие уран. К началу 1898 года Мария Склодовская-Кюри открывает радиоактивность целого ряда веществ, в том числе тория. Эти элементы также самопроизвольно испускают радиоактивные лучи.

13 июня этого же года она открывает ранее неизвестный химический элемент — полоний. А 20 декабря — еще один, который оказывается в 2−3 миллиона раз активнее урана. Этот элемент получил название радий (от латинского «radius» — луч, лучистый).

Радиоактивность — способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению.

Такую радиоактивность часто называют естественной радиоактивностью.

Таким  образом был положен конец представлениям о неизменности химических элементов.

{"questions":[{"content":"Если от химического элемента исходит самопроизвольное излучение, мы говорим, что он [[fill_choice_big-6]].","widgets":{"fill_choice_big-6":{"type":"fill_choice_big","options":["радиоактивен","химически активен","стабилен","инертен"],"answer":0}}}]}

Исследование радиоактивного излучения

Теперь эти открытия радиоактивных элементов подталкивают ученых к исследованиям физической природы их излучения. Что это за лучи, которые испускают атомы?

Опыты Резерфорда по исследованию радиоактивного излучения

За работу принимается выдающийся физик Эрнест Резерфорд. В 1899 году команда ученых под его руководством проводит опыты, которые показывают неоднородность излучения радия.

Опыт № 1

Рассмотрим первый опыт. На дно толстостенного свинцового сосуда помещают крупицу радия (рисунок 5). Сосуд полностью закрытый, за исключением маленького отверстия в верхней части. 

От радия исходит радиоактивное излучение во все стороны. Но вот через толстый слой свинца оно пройти не может. Поэтому узкий пучок излучения проходит только через узкое отверстие в сосуде и попадает на фотопластинку. После проявления на ней появляется одно темное пятно. Оно находится именно в том месте, куда попадал пучок излучения.

Опыт № 2

Далее опыт немного изменили. Теперь ученые создавали сильное магнитное поле, действующее на пучок излучения. Для этого свинцовый сосуд помещали в поле магнита (рисунок 6).

На пластинке теперь появляется три пятна. Центральное пятно находится на том же месте, что и в первом опыте. Два других пятна расположены по разные стороны от центрального.

Почему два потока излучения отклонились?
Это возможно, если они представляют собой потоки заряженных частиц. Отклонение в разные стороны говорит нам о том, что в этих потоках у заряженных частиц разные знаки электрических зарядов.

• В одном из отклонившихся потоков присутствуют только положительно заряженные частицы. Их назвали альфа-частицами ($\alpha$-частицами).
• В другом отклонившемся потоке содержатся только отрицательно заряженные частицы. Их назвали бета-частицами ($\beta$-частицами).
• Центральный поток представляет собой излучение без электрического заряда. Нейтральные частицы этого потока назвали гамма-частицами ($\gamma$-частицами), или гамма-квантами, а само излучение — $\gamma$-излучением.

{"questions":[{"content":"Заряженные частицы, попадая в магнитное поле, [[fill_choice_big-10]].","widgets":{"fill_choice_big-10":{"type":"fill_choice_big","options":["изменяют траекторию движения","никак не изменяют своего поведения","останавливаются"],"answer":0}}}]}

Альфа-, бета- и гамма-частицы

Некоторое время ученые исследовали физические характеристики и свойства этих новых частиц: массу, электрический заряд и др. В результате была установлена природа этих частиц.

$\alpha$-частица — это полностью ионизированный атом химического элемента гелия.

То есть, $\alpha$-частица представляет собой атом гелия, потерявший оба своих электрона.

В воздухе эти частицы преодолевают совсем небольшое расстояние (рисунок 7). Их полностью останавливает даже простой лист бумаги.

$\beta$-частица — это электрон.

Поток электронов имеет большую проникающую способность, чем поток $\alpha$-частиц (рисунок 8). Его может задержать стекло толщиной в несколько миллиметров.

$\gamma$-излучение — это один из видов (диапазонов) электромагнитного излучения, поток фотонов с высокой энергией.

$\gamma$-лучи обладают очень малой длиной волны. Они легко проходят через вещество (рисунок 9). Чтобы их остановить, понадобится свинцовая пластина толщиной в $5 \space см$, $30 \space см$ бетона или $60 \space см$ грунта.

Получается, что явление радиоактивности заключается в самопроизвольном излучении веществом этих частиц. Вскоре опыты показали, что при этом происходит превращение одного химического элемента в другой (подробнее об этом мы узнаем на следующем уроке).

Эти экспериментальные факты стали основанием для предположения о более сложном составе атомов. Стало очевидно, что внутри находятся и положительно, и отрицательно заряженные частицы. При этом было известно, что атом в целом является электрически нейтральным.

{"questions":[{"content":"Самой большой проникающей способностью из частиц радиоактивного излучения обладают [[fill_choice_big-14]].","widgets":{"fill_choice_big-14":{"type":"fill_choice_big","options":["$\\gamma$-кванты","$\\alpha$-частицы","$\\beta$-частицы"],"answer":0}}}]}

Модель Томсона

В 1903 году, опираясь на известные факты, Джозеф Томсон создал одну из первых моделей строения атома.

Согласно этой модели, атом представляет собой однородный шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд (рисунок 10). А внутри этого шара находятся электроны. Они могут совершать колебания около своего положения равновесия.

Положительный заряд этого шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду всех его электронов. Поэтому в целом электрический заряд атома равен нулю.

Эта модель чем-то напоминала современникам ученого булочку с изюмом. Отсюда произошел термин «пудинговая модель атома».

{"questions":[{"content":"Согласно модели атома Томсона положительный заряд [[fill_choice_big-17]].","widgets":{"fill_choice_big-17":{"type":"fill_choice_big","options":["равномерно распределен по всему объему","сосредоточен в центре","отсутствует","произвольно распределен по всему объему"],"answer":0}}}]}

Опыты Резерфорда на состоятельность модели Томсона

Созданная Томсоном модель атома нуждалась в экспериментальной проверке. Этим в 1911 году занялся Резерфорд со своей командой. Перед ними стояла задача провести ряд опытов по исследованию состава и строения атомов.

В этих опытах ученые использовали свинцовый сосуд, внутри которого находилось радиоактивное вещество (рисунок 11). Вещество внутри сосуда излучает $\alpha$-частицы. Они вылетают через узкое отверстие со скоростью порядка $15 \space 000 \frac{км}{с}$.

Но $\alpha$-частицы невозможно увидеть человеческим глазом. Поэтому для их обнаружения используется стеклянный экран. Он покрыт тонким слоем специального вещества. Благодаря этому в местах на экране, куда попадают $\alpha$-частицы, возникают вспышки. Их можно наблюдать с помощью микроскопа. Такой метод регистрации частиц называется методом сцинтилляций (то есть вспышек).

Эта установка помещается в специальный сосуд. Из него откачивается воздух. Это делается для того, чтобы устранить рассеяние $\alpha$-частиц. Так они не сталкиваются с молекулами воздуха.

Итак, теперь на пути $\alpha$-частиц нет никаких препятствий. Они попадают на экран узким, немного расширяющимся пучком, как на рисунке 11. При этом на экране возникают вспышки, которые сливаются в одно небольшое световое пятно.

{"questions":[{"content":"$\\alpha$-частица — это [[fill_choice_big-25]].","widgets":{"fill_choice_big-25":{"type":"fill_choice_big","options":["атом гелия без электронов","электрон","атом водорода без электрона","квант света"],"answer":0}},"explanation":"Состоит из двух протонов и двух нейтронов."}]}

Наблюдение рассеяния $\alpha$-частиц

Далее на пути $\alpha$-частиц помещают тонкую золотую фольгу (рисунок 12). Взаимодействуя с ней, $\alpha$-частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы.

Площадь пятна на экране заметно увеличилась. Но само пятно выглядит неоднородно. Наибольшее количество вспышек расположено в центре экрана. Это означает, что большая часть $\alpha$-частиц прошла через фольгу и почти не изменила направление движения. То есть рассеялась на малый угол $\varphi_1$. А вот при удалении от центра экрана вспышек становится заметно меньше. Значит, чем больше угол рассеяния $\varphi$, тем меньше частиц, которые отклоняются на этот угол.

Резерфорд на этом не остановился. Он решил проверить, что будет, если расположить экран в других местах.

Например, экран находится в положении, как на рисунке 13. Вспышки так же появляются на экране, но их совсем немного. Значит, очень небольшое количество частиц рассеивается на углы, близкие к $90 \degree$.

Теперь экран расположен в следующем положении (рисунок 14). Ученые регистрируют единичные вспышки. Частицы рассеялись на углы порядка $180 \degree$. То есть некоторые единичные частицы в результате взаимодействия с фольгой отбрасывает назад.

{"questions":[{"content":"Самое большое количество $\\alpha$-частиц в опытах Резерфорда рассеивается на [[fill_choice_big-29]].","widgets":{"fill_choice_big-29":{"type":"fill_choice_big","options":["малые углы","углы, близкие к $90 \\degree$","углы, близкие к $180 \\degree$"],"answer":0}}}]}

Вывод

Именно случаи рассеяния $\alpha$-частиц на большие углы заставили Резерфорда сделать интересные выводы. 

Помним о том, что мы представляем атом золотой фольги как равномерно распределенный положительный заряд и «сидящие» в нем электроны. Когда положительно заряженная $\alpha$-частица сталкивается с таким атомом, то она взаимодействует с его электрическим полем.

Дело в том, что $\alpha$-частицы могли бы так сильно отклонятся (отталкиваться), только если внутри атома фольги было бы чрезвычайно сильное электрическое поле, созданное положительными зарядами. А по расчетам согласно модели Томсона оно таким не являлось. Такое поле, например, могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень маленьком объеме по сравнению с объемом атома.

Может это электроны влияли на отклонение $\alpha$-частиц? Не похоже. Ведь масса электрона приблизительно в 8000 раз меньше массы $\alpha$-частицы. Электроны в атоме золота просто не смогли бы так изменить направление движения $\alpha$-частиц.

Так Резерфорд понял, что в данном случае речь может идти только о силах электрического отталкивания между $\alpha$-частицами и положительно заряженной частью атома. Причем масса этой части должна быть значительно больше массы $\alpha$-частицы.

Итак, в результате опытов были сделаны следующие выводы:

• Большинство частиц прошло через фольгу почти не изменив своего направления. Значит, атом почти пустой внутри.
• Часть частиц отклоняется на небольшие углы. Значит, в атоме есть центр силы.
• Некоторые частицы были отброшены назад. Значит, внутри атома есть что-то малое и положительно заряженное. И только те немногие частицы, которые пролетают рядом с этим неизвестным, отклоняются на большие углы.

{"questions":[{"content":"При взаимодействии двух положительно заряженных частиц между ними [[fill_choice_big-32]].","widgets":{"fill_choice_big-32":{"type":"fill_choice_big","options":["возникают силы отталкивания","возникают силы притяжения","не возникает никаких сил"],"answer":0}}}]}

Планетарная модель атома

Рассмотренные нами опыты и следующие за ними размышления привели Резерфорда к созданию новой модели атома — планетарной или ядерной (рисунок 15).

• В центре атома находится положительно заряженное ядро.
  Оно занимает очень малый объем атома.
• Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.
  Масса электронов значительно меньше массы ядра.
• Атом электрически нейтрален.
  Положительный заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов.

{"questions":[{"content":"Модель атома Резерфорда называется [[fill_choice_big-35]].","widgets":{"fill_choice_big-35":{"type":"fill_choice_big","options":["планетарной","пудинговой","квантовой","линейной"],"answer":0}}}]}

Размеры ядра

Эрнест Резерфорд пошел еще дальше и оценил размеры атомных ядер (рисунок 16).

В зависимости от массы атома его ядро имеет диаметр порядка $10^{−14}−10^{−15} \space м$. А сам атом при этом имеет диаметр около $10^{−10} \space м$. Получается, что ядро в десятки, а иногда и в сотни тысяч раз меньше самого атома.

На рисунке 17 показано, как с точки зрения ядерной модели $\alpha$-частицы проходят сквозь атомы вещества. Оранжевыми линиями обозначены траектории $\alpha$-частиц.

Траектория заметно изменяется только в том случае, если $\alpha$-частицы проходят очень близко к ядру. Дело в том, что напряженность электрического поля ядра очень быстро убывает по мере удаления от него. Значит, сила действия на $\alpha$-частицу также убывает.

Так как ядро очень маленькое по сравнению с самим атомом, большая часть $\alpha$-частиц проходит сквозь атом слишком далеко от ядра. На таких расстояниях сила отталкивания, которую создает электрическое поле ядра, слишком мала. Она не может значительно повлиять на траекторию $\alpha$-частицы. И только некоторые $\alpha$-частицы пролетают настолько близко к ядру, что их траектория сильно меняется. Это все соответствует результатам опытов Резерфорда.

Таким образом, была доказана несостоятельность модель Томсона и создана планетарная модель атома, которую мы часто будем использовать для объяснения различных ядерных процессов.

{"questions":[{"content":"Ядро может быть меньше самого атома [[fill_choice_big-39]].","widgets":{"fill_choice_big-39":{"type":"fill_choice_big","options":["в несколько сотен тысяч раз","в два раза","в десять раз","в сто раз"],"answer":0}}}]}

Часто задаваемые вопросы