Строение атома. 3

                                                        СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Основная часть

Опыты Резерфорда

Открытие  радиоактивности

Излучения

Атомный реактор

                  3) Заключение

                  4) Список литературы

                                        Введение

Первые представления  о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появилось в глубокой древности. В древней Индии признавалось не только существование первичных неделимых частиц вещества, но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Древнегреческий ученый Аристотель писал, что причинами всех вещей являются определенные различия в атомах, а именно: форма, порядок и положение. Позднее древнегреческий философ – материалист ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения. Французский ученый Пьер Гассенди ввел понятие о молекуле, под которой он понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов. По мысли английского ученого Р. Бойля, мир корпускул (молекул), их движение и «сплетение» очень сложны. Мир в целом и его мельчайшие части – это целесообразно устроенные механизмы. Великий русский ученый М. В. Ломоносов развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и активное начало – способность к движению и взаимодействию. Английский ученый Дж. Дальтон рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов, прежде всего массой.

Большой вклад в атомно-молекулярное учение внесли французский ученый Ж. Гей-Люссак, итальянский ученый А. Авогадро, русский ученый

Д. И. Менделеев. В 1860 году в г. Карлсруэ состоялся международный конгресс химиков. Благодаря усилиям итальянского ученого С. Канниццаро были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула – «количество тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства»; атом – «наименьшее количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений.

     Установленные С. Канниццаро атомные массы элементов послужили

Д. И. Менделееву основой при открытии периодического закона.

Основная часть

                                Опыты Резерфорда

        Резерфорд Эрнест (1871-1937)

Изучение строения атома  практически началось в 1897-1898 гг.,  после

того как была окончательно установлена природа катодных   лучей как потока электронов  и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными  веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта  положительно заряженная часть атома была открыта

в 1911 г.  Эрнестом Резерфордом  при исследовании движения a-частиц в газах и других веществах.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры  атомов были выполнены Э. Резерфордом  и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

                      Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц:

              K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом

              Э – экран, покрытый сернистым цинком

              Ф – золотая фольга

              M – микроскоп

    От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер,

α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Вспышки на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство

α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был  совершенно неожиданным даже для  Резерфорда. Его модель атома, находилась в резком противоречии с моделью атома Томсона.

                                             Модель атома Дж. Томсона

Согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз,

то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

Рисунок иллюстрирует рассеивание α-частицы в атоме Томсона и в атоме Э. Резерфорда.

Таким образом, опыты Э. Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее

99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

    Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

                                                          Показаны круговые орбиты четырех электронов

      Планетарная модель атома предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив  всю энергию на излучение электромагнитных волн.

                                              Неустойчивость классического атома:

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома  в 1913 году сделал выдающийся датский физик Нильс Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.

                                  Открытие радиоактивности

В начале XX века сложились  все условия для мощного прорыва, скачка, революции в естествознании, а особенно в физике. Однако в  той или иной степени это отразилось и на других естественных науках, например на химии.

 Но все же в физике  был совершен самый большой  скачок. Было открыто, святая святых, строение атома, что долгие столетия было загадкой и дилеммой для физиков всего цивилизованного мира. Была открыта небезызвестная радиоактивность, открытие которой так повлияло на ход мировой истории. Наконец, была создана новая наука квантовая механика, которая стала результатом работы в будущем нобелевского лауреата по физике Макса Планка. Как раз квантовая механика помогла ученому Нильсу Бору уточнить строение атома, представленное Эрнестом Резерфордом.

 Ядерную летопись следует вести с 1896 г. Началось всё с одной научной ошибки, или, чтобы быть более точным, с неправильной научной гипотезы.

    Вопрос стоял о природе загадочных тогда "X-лучей", открытых незадолго перед этим (1895 г.) Рентгеном и называемых ныне рентгеновскими лучами. Учёные всех стран находились тогда под впечатлением этого открытия. Работа Рентгена тщательно изучалась и обсуждалась.

Беккерель долгое время занимался  изучением различных флюоресцирующих  веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для них свет.

     Мысль, которая послужила толчком к опытам Беккереля, была проста - не является ли флюоресценция причиной рентгеновских лучей? Может быть, рентгеновские лучи существуют всегда, когда есть флюоресценция? Сейчас, в свете наших знаний о строении атома и природе рентгеновских лучей, эта мысль кажется нелепой, но в то время, когда природа этих лучей была неизвестна, это предположение казалось вполне естественным. Надо сказать, что Беккерелю повезло. По счастливой случайности в качестве флюоресцирующего вещества он взял одну из солей урана - двойную сернокислую соль урана и калия. Это обстоятельство предопределило успех опыта. Сам опыт был крайне прост и состоял в следующем.

Фотографическая пластинка  тщательно заворачивалась в чёрную бумагу, не прозрачную для видимых  лучей. Поверх бумаги на пластинку помещалась двойная сернокислая соль урана-калия. После этого пластинка выставлялась на яркий солнечный свет. По истечении  нескольких часов пластинка проявлялась  с соблюдением всех необходимых  предосторожностей. При этом на пластинке  было обнаружено тёмное пятно, напоминающее по своей форме контуры флюоресцирующего вещества. Серией контрольных опытов Беккерель показал, что это потемнение появилось в результате действия на фотографическую пластинку лучей, исходящих из двойной сернокислой  соли урана-калия и проходящих через  непроницаемую для солнечного света  чёрную бумагу.

Вскоре он выяснил, что  свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория.

 Беккерель, Антуан Анри — французский физик, (1852—1908)

Лучи, открытые Беккерелем, несколько схожи с лучами Рентгена. Они действуют на фотопластинку, проходят через чёрную бумагу и слои металла небольшой толщины. Есть, однако, и большое различие между  этими лучами. Рентгеновские лучи возникают при электрическом  разряде, происходящем в сильно разрежённом  газе.

Лучи Беккереля не требуют  никакого электрического напряжения, ни большого, ни малого. Не нужен и  разрежённый газ. Рентгеновские  лучи возникают только в присутствии  электрического разряда; лучи Беккереля  излучаются всегда, всё время, непрерывно. Но их излучает только уран. Только ли уран? Этот вопрос и был поставлен  Марией Склодовской-Кюри.

Поиски Марии Кюри были длительны и невероятно трудны. Они  продолжались около двух лет, в течение  которых было исследовано огромное количество различных солей, минералов, рудных пород. Наконец, Кюри добилась удачи. Оказалось, что соли тория также  испускают лучи Беккереля. Так же, как и в случае урана, оказалось, что интенсивность беккерелевых лучей тем больше, чем больше тория содержалось в веществе, и что чистый торий по сравнению с его соединениями отличается наибольшей интенсивностью.

     В поисках веществ, испускающих беккерелевы лучи, Мария Кюри не пользовалась фотографической пластинкой. Она применяла другое замечательное свойство этих лучей, обнаруженное Беккерелем.

В своих первых опытах он заметил, что под влиянием лучей, испускаемых ураном, воздух становится проводником электричества. Это  замечательное свойство беккерелевых лучей сильно упрощает поиски веществ, которые их излучают.

     Испытание вещества производится просто. Заряжают электроскоп

- прибор, позволяющий измерять  электрические заряды. Когда электроскоп  заряжают, листочки его, прикреплённые  к металлическому стержню, отталкиваются  друг от друга и расходятся  на некоторый угол, тем больший,  чем больший заряд получает  электроскоп. В таком положении  листочки будут находиться до  тех пор, пока на стерженьке  электроскопа будет сохраняться  заряд. Заряд же будет сохраняться  лишь в том случае, если листочки  будут хорошо изолированы от  корпуса электроскопа. Воздух, как  известно, является хорошим изолятором, поэтому обычно листочки, отошедшие  друг от друга, довольно долго  сохраняют своё положение. Стоит, однако, внести в электроскоп немного урана или его солей, как он быстро разрядится, листочки спадут и соединятся друг с другом. Так, в течение буквально двух-трёх минут можно установить, излучает ли испытуемое вещество лучи Беккереля или нет (следует отметить, что этот простой способ обнаружения веществ, излучающих лучи Беккереля, находит себе применение и поныне).

              Один из первых электроскопов с золотыми листочками,

                                                  изобретенный Дюфе.

Продолжая свои поиски, Кюри натолкнулась на удивительный факт. Оказалось, что урановая смоляная обманка - руда, из которой добывают металлический  уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Стало ясно, что в смоляной обманке находится в виде примеси какое-то новое вещество, способное испускать лучи Беккереля с очень большой интенсивностью, ибо малая примесь этого вещества, ускользавшая от внимания химиков, излучала сильнее, чем уран, которого в руде было несравнимо больше. Это свидетельствовало о том, что в руде присутствовал источник излучения, более мощный, чем уран. В 1898 году супруги Кюри открыли два новых элемента — полоний, названный так в честь родины Марии Складовской-Кюри — Польши, и радий, что означает по латыни "испускающий лучи".

    В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с номером 96 — Кюрий.

     Долгим и упорным трудом Марии Кюри, работавшей вместе со своим мужем Пьером Кюри, удалось выделить два новых вещества - носителей беккерелевского излучения. Всем веществам, способным излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название - радиоактивные (что значит способные испускать лучи), а само явление - испускание этих лучей - получило название радиоактивности. В дальнейшем и сами лучи, открытые Беккерелем, стали называть радиоактивными лучами.

     Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

     Есть несколько определений этого замечательного явления, одно из которых дает такую ее формулировку: «Радиоактивность – это самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно изотоп другого элемента); при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (L -частиц)» Сущностью открытого явления было в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбужденном долгоживущем состоянии.

     В 1908 году  немецкий физик Ханс Гейгер (1882 – 1945) изобрел прибор для измерения уровня радиации в воздухе. Прибор этот назвали счетчиком Гейгера. При обнаружении радиации счетчик издает особые щелчки. Уровень радиации указывается на шкале.

                                                   Излучения

     Однажды Беккерель взял у Пьера Кюри небольшое количество препарата радия, заключённого в стеклянную трубочку, с тем, чтобы продемонстрировать его свойства студентам на лекции. Трубочку с радием он положил в жилетный карман. Несколько часов он проходил с радиевым препаратом. Через несколько дней он обнаружил у себя на коже, в том месте, которое находилось против жилетного кармана, покраснение, напоминавшее по своей форме трубочку с препаратом радия. Ещё через несколько дней Беккерель почувствовал сильную боль, кожа начала трескаться, образовалась язва. Он принуждён был обратиться к врачу. Врач лечил эту рану так же, как лечат ожог. Приблизительно через два месяца рана зарубцевалась. Пьер Кюри проделал на себе ряд опытов с целью проверки и уточнения действия лучей радия, о котором сообщил ему Беккерель. Сообщение подтвердилось. Десятичасовое облучение кожи на руке препаратом радия привело через несколько дней к таким же последствиям: краснота, воспаление, открытая рана, на излечение которой понадобилось четыре месяца.